Güneşli bir günde mavi gökyüzünün oluşumunda güneş ışığı ve atmosferin parmağı olduğunu tahmin etmek zor değil. Güneş’ten gelen beyaz ışık atmosfere geldiğinde ne oluyor da mavi ayrışıyor asıl soru bu.
Güneş’ten bize ulaşan ışınlar farklı enerjiye sahip elektromanyetik dalgalardan oluşuyor. İnsan gözü yalnız belli bir enerji aralığındaki elektromanyetik dalgaları ayırt edebiliyor. Bu aralığa görünür ışık diyoruz. Gökkuşağının mordan kırmızıya tüm renkleri bu aralıkta bulunuyor. Mor ışığın enerjisi daha yüksek fakat dalgaboyu kısa (400 nm); kırmızı ışığın enerjisi daha düşük, dalgaboyu ise daha uzun (700 nm).
Güneşin beyazımsı ışığındaki kırmızıdan mora kadar olan tüm renkler gökkuşağında kendini gösteriyor. Işık yağmur damlalarından yansırken aynı zamanda kırılıyor. Bu sırada farklı dalgaboyları yani farklı renkler farklı açılarla kırılıyor. Önemli olan, ışık yağmur damlasına geldiğinde içindeki farklı renkler farklı şekilde yön değiştiriyorlar ve ayrışıyor. Renkleri ayıran bu olay sayesinde gökkuşağı oluşuyor.
Gökyüzünü mavi görüyoruz çünkü yine renkleri ayıran ve maviyi öne çıkaran fiziksel bir olay oluyor. Fakat bu sefer sorumlu kırılma değil, saçılma.
Atmosferin etkisi
Eğer atmosfer olmasaydı gökyüzü simsiyah olacaktı. Ay seyahatlerinde çekilmiş fotoğraflarda gölgeler güneş ışığıyla oluşuyor. Fotoğraftaki güneşli günde gökyüzü siyah, çünkü Ay’da atmosfer yok.
Dünya’nın atmosferi ise çeşitli gazlardan oluşan bir tabaka. Işık, atmosferdeki işte bu gaz molekülleriyle etkileşince mavi gökyüzü oluşuyor.
Işık, bir elektromanyetik dalga yani elektrik ve manyetik alan titreşimlerinden oluşuyor. Gaz molekülleri nötr fakat içlerinde yüklü parçacıklar yani elektron ve protonlar barındırıyorlar. Elektromanyetik dalganın elektrik alan titreşimleri atomların içindeki yüklü parçacıkları (elektron ve protonlar) titreştiriyor. Yüklü parçacıklar gelen ışığın frekansında titreşiyor ve etrafa bu frekansta ışık yayıyor. Yani atmosferdeki moleküller anten gibi hem sinyal alıyorlar hem sinyal veriyorlar.
Bu etkileşim sonunda olan olaya saçılma deniyor çünkü ışık bir yönden gelip her yöne dağılıyor.
Dalgaboyu, moleküllerin boyutundan çok daha büyük olunca saçılan ışığın miktarı dalgaboyuna bağlı olarak değişiyor. Sonuçta daha küçük dalgaboyuna sahip mavi ışık, daha büyük dalgaboyuna sahip kırmızı ışığa göre daha fazla saçılıyor. Kırmızı bu etkileşimden mavi kadar etkilenmiyor, yoluna devam ediyor. Bu tür saçılmaya, dalgaboyu bağıntısını ilk kez hesaplayan Lord Rayleigh’ın (1842-1919) adı verilmiş: Rayleigh saçılması.
Güneş’ten uzak bir noktaya baktığımızda Güneş’ten doğrudan gelen ışığı değil, atmosferde saçılmış olan ışığı görebiliyoruz. En fazla küçük dalgaboyları saçılıyor olduğuna göre Güneş’ten uzak bir noktaya baktığımızda bu en çok saçılan renkleri görmeyi bekliyoruz.
Hani en küçük dalgaboyu mor ışığındı. O zaman neden gökyüzü mor değil de mavi?
Bunun iki nedeni var, birincisi güneş ışığında her renkten eşit miktarda yok. Güneş her sıcak cisim gibi o da birçok farklı dalgaboyunda ve her dalgaboyundan farklı miktarda elektromanyetik dalga yayıyor. Güneşten gelen ışıkta mor maviden daha az var. En çok yeşil var ama yeşil, mavi kadar çok saçılmıyor.
Mavi görmemizin ikinci nedeni de gözlerimizin rengi algılama mekanizmalarıyla ilgili. Gözlerimiz rengi, retinadaki mavi, yeşil ve kırmızı dalgaboylarına hassas fotoreseptörler ile algılıyor. Gözlerimiz maviye mordan daha hassas.
Ev yapımı saçılma
Evdeki malzemelerle saçılma olayını gözleyebileceğiniz bir deney yapabilirsiniz. İhtiyacınız olan malzemeler:
- İki adet bardak
- Su
- Fener
- Beyaz kağıt
- Pastörize* süt (birkaç damla)
*Sütün pastörize olması önemli. Pastörize edilmemiş sütün molekülleri çok büyük olduğundan Rayleigh saçılması yapamıyorlar, yani renkleri birbirinden ayıramıyorlar. Hatırlarsanız moleküllerin boyutu dalgaboyundan çok daha küçük olmalıydı. Yüksek sıcaklıkta süt molekülleri parçalanıyor ve Rayleigh saçılması yapacak boyuta geliyor.
Bardaklara su doldurun. Karanlık bir odada fenerin ışığını suya doğrultun. Bardağın diğer tarafına beyaz bir kağıt koyup fenerin ışığının rengini inceleyin.
Bardaklardan ikincisine birkaç damla süt ekleyin ve karıştırın. Önce iki damlayla başlayın. Sadece su olan bardaktan geçen ışık ile iki damla süt olan bardaktan geçen ışığın rengini karşılaştırın eğer bir fark göremiyorsanız sütlü kavanoza bir iki damla daha süt ekleyin.
Fotoğrafta birkaç damla süt eklenmiş bardaktan geçen ışığın (Resim B) renginin kırmızımsı olduğunu görüyoruz. Bardaktaki süt, atmosferdeki gaz molekülleri gibi Rayleigh saçılmasına yol açıyor. Saçılan küçük dalgaboyları süt dolu bardağın rengini hafif mavimsi yapıyor. Maviyi çok net göremeyebilirsiniz, daha büyük kaplar kullanınca mavi daha belirgin oluyor. Fakat duvardaki beyaz ışığın kırmızıya dönmesi mor, mavi gibi küçük dalgaboylarının bardaktan geçerken eksildiğine işaret ediyor. Beyaz ışığı oluşturan renklerden bir kısmı saçılınca duvara ulaşan ışık geriye kalanların rengini alıyor, yani kırmızımsı oluyor.
Günbatımında Güneş’ten bize doğrudan gelen ışık daha kalın bir atmosfer tabakasından geçiyor, bu da daha çok saçılma demek. Aynı sütlü bardaktan geçen ışık gibi, Güneş’e doğru baktığımızda gördüğümüz kırmızılık da işte bu yüzden.
Defne Üçer Şaylan
Blue Sky, Hyperphysics.
Defne Üçer Şaylan, Ersin Göğüş, Bilim Eğitiminde Astronomi kitapçık, 2013.
