Gökyüzü neden mavi (değil)?

9 Eylül San Francisco, saat öğlen 12:20. Fotoğraf: Müsemma Sabancıoğlu.- CC-BY

Bilimin temelinde merak, bilimsel çalışmanın başlangıcında ise soru sormak vardır. Yanıtları karmaşık olsa da kendileri bir çocuk saflığıyla sorulan basit sorular. Her gün başımızı kaldırdığımızda gördüğümüz gökyüzünün neden mavi olduğunu hiç düşündünüz mü? Gökyüzü neden mavidir (ve bir gün kalktığınızda nasıl turuncu olabilir) sorusuna, fizik bilgimizi kullanarak yanıt arayalım.

Güneş’ten gelen beyaz ışık, gökkuşağının tüm renklerinin bir karışımıdır. Renkler ise ışığın farklı dalga boylarıyla ayırt edilirler.

İnsan gözünün retinasında, üç farklı renk reseptörü bulunur. Bunlar kırmızı, yeşil ve mavi dalga boylarına en üst düzeyde tepki vererek bize renk görme ve ayırt etme becerisi kazandırır.

Güneş ışığı atmosfere girdiğinde bu üç renk arasında en çok mavi ışık saçıldığı ve her yöne dağıldığı için gökyüzünü mavi zannederiz.

Bunu biraz detaylandıralım.

İlk not etmemiz gereken, atmosferde farklı büyüklükte moleküller, parçacıklar ve su damlacıklarının olduğu. Moleküller, güneşten gelen ışığı oluşturan renklerin dalga boyundan çok daha küçük. Toz, sis veya benzer parçacıklar ışığın dalga boyu büyüklüğüne yakın. Su damlacıkları ise ise ışığın dalga boyundan çok daha büyük. Bu ayrım, gökyüzünde gördüğümüz farklı renklerin nedenini anlamak için önemli.

Peki saçılma nedir?

Elektromanyetik spektrum

Görünür ışık aslında elektromanyetik spektrumun küçük bir parçası. Örneğin X-ışınları, gamma, ışınları, radyo dalgaları ve mikrodalgalar farklı dalga boyundaki elektromanyetik dalgalara verdiğimiz isimler. Güneşten gelen farklı frekans ve dalga boyundaki yani farklı renkteki elektromanyetik dalga atmosferdeki gaz moleküllerindeki (çoğunlukla oksijen ve nitrojen) elektron ve protonları yukarı aşağı sallar.  Bu sallama sonucunda aynı frekansta elektromanyetik dalga oluşur. Biz fizikçiler buna ışığın saçılması adını veriyoruz. Mavi ışık dalga boyundan dolayı molekülleri en çok sallayan renklerden biri. Yani mavi kırmızıdan veya yeşilden daha çok saçılıyor.  Aslında mor en çok saçılan dalga boyu ama yukarıda bahsettiğim gibi insan gözü evrimsel olarak mavi dalga boyunu seviyor.

Oksijen ve nitrojen moleküllerin büyüklüğü görünür ışığın dalga boyundan çok daha küçük ve bu moleküllerden olan saçılmaya Rayleigh saçılması adını veriyoruz. Rayleigh saçılması dalgaboyuna bağlı yani renkler farklı şekilde saçılıyor.

Örneğin toz parçacıklarının boyutları dalga boyundan daha büyük. Bu durumda saçılma dalga boyuna çok bağlı değil. Buna Mie saçılması diyoruz.

Güzel bir örnek Mars. Mars’ta gökyüzü turuncumsu görünüyor çünkü atmosferde bolca toz ve pas parçacıkları yani demir oksit var.  Ayrıca burada Dünya’nın atmosferindeki küçük moleküllerden çok daha az bulunuyor.   Pas, mavi (ve yeşil) ışığı emiyor/soğuruyor (400 nm ile 600 nm arası ağırlıklı) ve Güneş ışığından geriye kalan renkler tekdüze olarak saçılıyor (Mie saçılması).  Mars atmosferinde toprak yüzeyden gelen toz ve pas parçacıkları olmasaydı Rayleigh saçılması baskın olacaktı.

San Francisco, 9 Eylül, Saat öğlen 12:30 civarı (Fotoğraf: Müsemma Sabancıoğlu CC-BY)

9 Eylül sabahı San Francisco ve çevresinde yaşayanlar da Mars’takine benzeyen bir gökyüzüyle uyandılar. Gökyüzü Blade Runner filmindeki atmosferi andıran hem ürkütücü hem de muhteşem turuncu ve kırmızı renklere bürünmüştü. Aslında sebebi Kaliforniya’da bir süredir devam eden yangınlar ve dolayısıyla atmosfere dağılmış toz, kül ve duman parçacıklarıydı.  Orman yangınlarından arta kalan duman parçacıkları da maviyi soğurduğundan, gökyüzü çoğunlukla turuncu ve kırmızı renklere bürünmüştü.

Bonus: Saçılma ve Mammografi

Saçılma demişken az bilinen bir bilgiyi de ekleyeyim. Gökyüzünün mavi olmasına neden olan Rayleigh saçılması konuyla çok ilgisiz görünen mamografik görüntülemede de çok önemli. Her yıl milyonlarca kadın meme kanserinin erken teşhis edilmesi için mamografi çektiriyor. Mamografide görünür ışık gibi elektromanyetik dalga olan (ama çok daha yüksek enerjili) X-ışınları kullanılıyor. Mamografide kullanılan X-ışınları görüntü güzel olsun diye dokuya belli bir enerji aralığında gönderiliyor. Bu aralıkta X-ışınları çoğunlukla soğuruluyor ama bir miktar da saçılıyor.  Kullanılan enerjilerde baskın saçılma Rayleigh saçılması.

Saçılma aslında medikal görüntülemede görüntü kalitesini bozduğu için istenen bir şey değil. Medikal görüntülemede doktorların tanı koymakta kullandıkları resimlerin güzel olmasını sağlayan şey optik soğurma. Mammografi’de yüksek çözünürlük istendiği için saçılma sebebiyle görüntüde oluşan bozulmaların düzeltilmesi gerekiyor.

Yine az bilinen bir bilgi vereyim. Röntgen çektirirken, bilgisayarlı tomografi çektirirken yakınınızda kimsenin durmasına izin verilmez. Teknisyen korunaklı odaya girer, akrabalar da dışarıya çıkar. Sebebi Compton saçılmasıdır. Röntgen ve tomografide kullanılan enerjilerde bu sefer Compton saçılması baskın olur ve hastanın kendisi çevresine X-ışını saçar. Compton saçılmasını da başka bir yazıda anlatacağım.

Mehmet Burçin Ünlü
Boğaziçi Üniversitesi Fizik Bölümü


Creative Commons LisansıBu eser Creative Commons Atıf-GayriTicari 4.0 Uluslararası Lisansı ile lisanslanmıştır.  İçerik kullanım koşulları için tıklayınız.


İleri okuma önerileri: 

[1] Blue Sky, Hyperphysics, http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/atmos/blusky.html
[2] Scattering of light, http://www.atmo.arizona.edu/students/courselinks/spring08/atmo336s1/courses/fall13/atmo170a1s3/1S1P_stuff/scattering_of_light/scattering_of_light.html
[3]Scientific American, Why is the sky blue? https://www.scientificamerican.com/article/why-is-the-sky-blue/
[4]Defne Üçer Şaylan, Gökyüzü neden mavi?, https://sarkac.org/2018/04/gokyuzu-neden-mavi/

Önceki İçerikPerformansa dayalı akademik teşvik sistemleri üzerine
Sonraki İçerikÜç boyutlu görme ve derinlik kameraları
Avatar photo

Mehmet Burçin Ünlü 2009 yılından beri Boğaziçi Üniversitesi Fizik Bölümü’nde öğretim üyesi olarak görev yapıyor. Ayrıca 2012 yılında kurduğu Boğaziçi Üniversitesi Medikal ve Biyolojik Laboratuarı’nda sağlık alanında fizik uygulamaları üzerine çalışmaya devam ediyor.

Uzmanlık alanları arasında medikal görüntüleme, görüntü oluşturma algoritmaları ve biyomedikal fizik bulunmaktadır.

Mehmet Burçin Ünlü, lisans ve yüksek lisans derecelerini sırasıyla ODTÜ (1996) ve Boğaziçi Fizik (1998) bölümlerinden aldı. Doktorasını 2004 yılında Stevens Teknoloji Enstitüsü’nde tamamladı. Daha sonra California Üniversitesi, Irvine, Tu & Yuen Fonksiyonel Onko-Görüntüleme (Radyolojik Bilimler, Tıp Fakültesi), beş yıl araştırmacı olarak çalıştı. Doktora sonrası çalışmaları sırasında medikal görüntüleme ve tıbbi fizik üzerine yoğunlaştı.  2017-2018 yılları arasında Fulbright desteğiyle bir yıl boyunca Stanford Üniversitesi Tıp Fakültesi Yapay Zeka Laboratuvarında çalıştı. Ayrıca Hokkaido Üniversitesi Tıp Fakültesine gitti ve 6 ay boyunca proton terapisi üzerinde çalıştı.