Gökyüzü neden mavi, gün batımı neden turuncu?

Kısa cevap

Güneş ışığı havadaki moleküllere çarptığında kısa dalga boylu mavi ışık, uzun dalga boylu kırmızıya göre çok daha fazla yön değiştirir ve gökyüzünün her yerinden gözümüze gelir. Gün batımında ise ışık atmosferde çok daha uzun bir yol kat eder; mavinin büyük kısmı yolda saçılıp kaybolur ve bize ağırlıkla turuncu ile kırmızı ulaşır.

Kısa dalgalar daha çok saçılır

Havanın kendisi görünmez, ama boş değildir: azot ve oksijen molekülleriyle doludur. Bu moleküller görünür ışığın dalga boyundan binlerce kat küçüktür. Güneşten gelen ışık onlara çarptığında bir kısmı geldiği yönde yoluna devam eder, bir kısmı ise her yöne dağılır. Bu dağılmaya saçılma denir ve gökyüzünün aydınlık görünmesinin tek sebebi budur: güneşe bakmadığınız her noktadan gözünüze gelen ışık, havada saçılmış güneş ışığıdır.

İşin püf noktası, bu saçılmanın dalga boyuna eşit davranmamasıdır. Çok küçük parçacıklarda saçılmanın gücü dalga boyunun dördüncü kuvvetiyle ters orantılıdır. Kulağa soyut gelse de sonucu çarpıcıdır: yaklaşık 450 nanometrelik mavi ışık, 700 nanometrelik kırmızı ışıktan kabaca altı kat daha güçlü saçılır. Güneş beyaz ışık gönderir, ama havanın geri kalanına dağılan pay mavi ağırlıklıdır. Başınızı hangi yöne çevirirseniz çevirin, o yönden gelen saçılmış ışık mavidir.

Bulutların neden beyaz, sisin neden gri olduğu ise başka bir saçılma türüne, daha büyük parçacıkların saçılmasına bağlıdır. İki türün ayrımı ve sütün neden opak olduğu BI-05'te anlatılır.

Gün batımında ışığın uzun yolu

Öğle vakti güneş tepedeyken ışığı atmosferi en kısa yoldan geçer. Güneş ufka yaklaştıkça bu yol uzar, çünkü ışık artık havayı dikine değil, yandan boylamak zorundadır. Yol uzadıkça ışık daha çok molekülle karşılaşır ve her karşılaşmada biraz daha mavi kaybeder. Ufuktaki güneşten size ulaşan ışık, mavisinin büyük kısmını yolda bırakmış ışıktır; geriye turuncu ve kırmızı kalır.

Bu yüzden gün batımında iki şey aynı anda olur. Güneş diskinin kendisi sarıdan turuncuya, sonra kırmızıya döner. Güneşin çevresindeki bulutlar da bu kızıllaşmış ışıkla aydınlandığı için pembe, turuncu ve kızıl tonlara bürünür. Havada toz, duman ya da deniz tuzu gibi parçacıklar arttıkça ışık daha da süzülür; büyük orman yangınlarından sonra güneşin olağandışı kızıl görünmesinin bir sebebi budur.

Aynı kayma insan tenine düşen ışıkta da görülür. Alçak güneşin ışığı her ten tonunu daha sıcak, daha turuncu gösterir; fotoğrafçıların "altın saat" dediği şey budur. Değişen ten değil, ona çarpan ışıktır. Beynimiz bu kaymayı bir ölçüde fark edip düzeltmeye çalışır; bunun ne zaman işe yaradığı ve ne zaman yanılttığı KE-03'ün konusudur.

Gökyüzü neden mor değil?

Kural kısa dalganın daha çok saçıldığını söylüyorsa, mor ışık maviden de kısa olduğuna göre gökyüzü neden mor değil? Bunun birkaç sebebi birlikte çalışır. Güneşin gönderdiği ışıkta mor, maviye göre daha azdır. Gözümüz de spektrumun bu ucuna daha az duyarlıdır. Üstelik gökyüzünden gelen ışık tek bir dalga boyu değil, mavi ağırlıklı ama her rengi biraz taşıyan bir karışımdır.

Kısacası gökyüzünün rengi yalnızca fiziğin değil, gözümüzün de hesabıdır. Aynı gökyüzü, farklı koni tiplerine sahip bir kuşa ya da arıya başka görünür; KE-06 bu farkı ele alır.

Örnek — Mars'ta mavi gün batımı

15 Nisan 2015'te NASA'nın Curiosity gezgini Mars'taki Gale kraterinde bir gün batımını renkli olarak görüntüledi. Görüntüde güneşin çevresi mavimsiydi. Dünya'dakinin tersi gibi görünen bu tabloda aynı fizik çalışıyor, ama parçacıklar farklı. Mars'ın ince atmosferinde havayı dolduran şey küçük gaz molekülleri değil, ince toz tanecikleridir. Bu tozun boyutu mavi ışığın güneş yönünde daha rahat ilerlemesine izin verir; sarı ve kırmızı ise gökyüzüne daha geniş bir açıyla saçılır. Sonuç: gündüz sarımsı-kahverengi bir gökyüzü, gün batımında güneşin etrafında mavi bir hale.

Bu örnek, gökyüzünün renginin gezegenin kendisine değil, atmosferindeki parçacıkların boyutuna ve ışığın yol uzunluğuna bağlı olduğunu gösterir.

Sık yapılan yanlış

Özet

1. Havadaki moleküller kısa dalga boylu ışığı çok daha güçlü saçar; gökyüzünün her yerinden gelen bu saçılmış ışık mavi ağırlıklıdır.
2. Gün batımında ışık atmosferde çok daha uzun yol alır, mavisini yolda kaybeder ve bize turuncu ile kırmızı ulaşır.
3. Gökyüzünün mor değil soluk mavi görünmesi hem güneş ışığının içeriğinden hem de gözümüzün duyarlılığından gelir.

Kendini sına

1. (Kolay) Havadaki moleküller hangi renk ışığı daha güçlü saçar: mavi mi, kırmızı mı?
2. (Kolay) Gün batımında güneş ışığının atmosferdeki yolu öğle vaktine göre nasıl değişir?
3. (Orta) Ay'da gökyüzü neden siyahtır?
4. (Orta) Büyük bir orman yangınından sonra güneş neden daha kızıl görünebilir?
5. (Zor) Mor ışık maviden daha çok saçıldığı hâlde gökyüzünü neden mor görmeyiz?
6. (Zor) Mars'ta gün batımında güneşin çevresinin mavi görünmesi, Dünya'daki kuralın çiğnendiği anlamına mı gelir? Gerekçelendirin.

Cevaplar

1. Mavi; kısa dalga boyları küçük parçacıklarca çok daha güçlü saçılır, 450 nm ışık 700 nm ışıktan kabaca altı kat fazla («Kısa dalgalar daha çok saçılır»).
2. Uzar; güneş ufka yaklaştıkça ışık havayı yandan boylar ve daha çok molekülle karşılaşır («Gün batımında ışığın uzun yolu»).
3. Ay'ın ışığı saçacak bir atmosferi yoktur. Güneş ışığı yüzeye doğrudan ulaşır ama gökyüzünün herhangi bir noktasından göze saçılmış ışık gelmez; bu yüzden gündüz bile gök karanlıktır («Kısa dalgalar daha çok saçılır»).
4. Havadaki duman parçacıkları ışığın yolunda daha fazla süzülme yaratır; mavi daha da fazla kaybolur ve güneşten bize kırmızı ağırlıklı ışık ulaşır («Gün batımında ışığın uzun yolu»).
5. Güneş ışığında mor maviden azdır, gözümüz mora daha az duyarlıdır ve gökyüzü ışığı her rengi biraz taşıyan bir karışımdır; göz bu karışımı soluk bir mavi olarak algılar («Gökyüzü neden mor değil?»).
6. Hayır. Kural aynıdır: saçılma parçacık boyutuna ve dalga boyuna bağlıdır. Mars'ta saçılmayı gaz molekülleri değil ince toz yapar ve tozun boyutu mavinin güneş yönünde daha rahat ilerlemesine izin verir («Örnek — Mars'ta mavi gün batımı»).

Kaynaklar

• Strutt, J. W. (Lord Rayleigh), «On the Light from the Sky, its Polarization and Colour», Philosophical Magazine, Şubat 1871.
• Smith, G. S., «Human color vision and the unsaturated blue color of the daytime sky», American Journal of Physics 73(7): 590–597, 2005.
• NASA/JPL-Caltech/MSSS/Texas A&M Univ., «Sunset in Mars' Gale Crater», fotoğraf arşivi PIA19400, 2015.

Sonraki adım

BI-05 saçılmanın iki türünü ayırıyor: parçacık boyutu ile dalga boyu arasındaki ilişkiyi kurup bulutun neden beyaz, sütün neden opak olduğunu ve mavi gözlerde neden mavi pigment bulunmadığını açıklıyor. KE-03 ise gün batımındaki renk kaymasının beyindeki karşılığına geçiyor: aynı fotoğrafın insanlarda farklı renkler uyandırmasını, beynin ışığın rengini tahmin etmesiyle anlatıyor.