Gökyüzü Neden Mavidir?

Bulutsuz ve güneşli bir bahar gününde, doğanın her parçası gibi gökyüzü de nefes kesici bir güzelliğe sahiptir. Kuşkusuz, gökyüzüne bu güzelliği bahşeden şey rengidir. Bu nedenle hemen hemen herkes hayatının bir döneminde gökyüzünün güzelliği karşısında büyülenirken "Gökyüzü neden mavidir?" sorusunu kendine sormuştur.

Oldukça temel bir soru olmasına karşın, gökyüzünün neden mavi olduğu 19. yüzyıla kadar tam olarak anlaşılamamıştır.

Kısa cevap: Rayleigh saçılması nedeniyle Dünya'nın atmosferindeki moleküller, ışığın her yönde saçılmasına sebep olur. Bu saçılma sırasında en fazla kırılma mavi dalga boyunda görüldüğü için, gökyüzü mavi renkte görülür.

Pek çoğumuz, beyaz ışığın renklerine ayrılması deneyini bir yerlerden hatırlarız. Ünlü İngiliz müzik grubu Pink Floyd'un Dark Side of the Moon albümünün kapak fotoğrafı olarak da karşımıza çıkan bu deneyde, prizmaya gönderilen beyaz ışık saçılır ve onu oluşturan renklere ayrılır. Yukarıdaki görselde de görebileceğimiz gibi, bu saçılma sonucunda beyaz ışığı oluşturan renkler farklı miktarlarda kırınıma uğrar. En az kırılan ışık kırmızı, en çok kırılan ise mordur.

Farklı Renkte Işıklar Ne Anlama Gelir?

Bir ışığı diğerinden ayıran özellik enerjisidir. Planck-Einstein ilişkisine göre, ışığın (elektromanyetik dalganın) enerjisini E=hf ya da E=hc/λ ifadesiyle hesaplayabiliriz. Bu ifadedeki h Planck sabitini, c ışık hızını, f frekansı, λ ise dalga boyunu temsil etmektedir. Yani, ışığın dalga boyu, bize enerjisi hakkında bilgi verir. Başka bir deyişle, bir elektromanyetik dalgayı (ışığı) diğerinden ayırmak için onun dalga boyuna bakabiliriz.

İnsan gözünün görebileceği en yüksek enerjili ışığın dalga boyu 380 nm'dir. Bu dalga boyu mor renge karşılık gelmektedir. Benzer şekilde, görebileceğimiz en düşük enerjili ışığın dalga boyu ise yaklaşık 800 nm'dir. Bu dalga boyu da kırmızı renge karşılık gelmektedir. 380 nm ile 800 nm arasındaki bu bölgeye görünür bölge adı verilir.

Elektromanyetik spektrum ve elektromanyetik dalgalar hakkında daha detaylı bilgi için, bu konuda hazırladığımızyazı dizisiniinceleyebilirsiniz.

Rayleigh Saçılması

Güneş'ten gelen ışığın spektrumuna baktığımızda, görünür bölgedeki tüm renkleri kapsadığını görebiliriz. Yani, beyaz ışık yerine Güneş ışığı kullandığımızda da yukarıdakine benzer bir görüntüyle karşılaşırız. Prizmalarla yapılan deneyler oldukça eskiye tarihlenebilir. Yani yüzlerce yıldır kırmızı ışığın mor ışıktan daha az kırıldığını biliyoruz. Bu noktada, bu deneyi yapan tüm bilim insanları, kırmızı ışığın neden daha az kırıldığını düşünmüş olsa gerek. Ancak ne yazık ki, böylesine basit bir gözlem için bile, "neden" sorusuna cevap vermek kolay olmayacaktı. Gökyüzü neden mavidir sorusuna cevap verebilmek için, bizim de bu keşif sürecinden geçmemiz gerekiyor.

Neden sorusuna cevap verişimizin hikayesi, John Tyndall ile başlıyor. Tyndall, 1859 yılında yaptığı çalışmalar sırasında, süspanyon durumundaki karışımdan geçen ışığın düşük dalga boyuna sahip kısmının daha fazla, yüksek dalga boyuna sahip kısmın ise daha az kırınıma uğradığını keşfetti.

Bu durumu, suyu az miktarda süt ile karıştırıp, ardından bu karışımı beyaz ışık ile aydınlarak gözlemleyebiliriz. Örneğin, kabı yan tarafından aydınlatmış olalım. Eğer bu kaba kenarlardan bakarsak, mavi ışık saçılacağından, göreceğimiz renk maviye yakın olacaktır. Benzer şekilde, ışığı tuttuğumuz bölgenin tam karşısından kaba baktığımızda göreceğimiz renk ise, kırmızıya yakın olacaktır.

1871'e geldiğimizde ise, hikayemizin baş kahramanı Lord Rayleigh, Tyndall etkisi denen bu durumu, su damlacıkları üzerinden göstedi ve matematiksel olarak inceledi. İşte tam olarak bu çalışma, "neden" sorusuna cevap vermemizi mümkün kıldı.

"Işığın elektromanyetik teorisi üzerine" isimli makalesinde, bulgularını elektromanyetik teori perspektifinden de destekleyen Rayleigh, ışığın rengi ve polarizasyonu hakkında oldukça detaylı açıklamalar yaptı. Yazımızda her ne kadar Lord Rayleigh'nin çalışmalarının detayına girmeyecek olsak da, bu çalışmaların önemli bir sonucunu, "gökyüzü neden mavidir?" sorusunu cevaplamak için kullanacağız.

Rayleigh saçılmasına göre ışığın kırılma miktarı, dalga boyunun dördüncü kuvvetiyle ters orantılıdır (I= 1/λ4). Başka bir deyişle, daha küçük dalga boyuna sahip olan mor ışık çok daha fazla kırılmaktadır.

Gökyüzü Neden Mavidir?

Işığın kırılma miktarıyla dalga boyu arasındaki ilişkiyi de öğrendiğimize göre, "gökyüzü neden mavidir?" sorusuna cevap vermeye hazırız.

Biyoloji bilgilerimizi yoklarsak görme olayının, ışığın herhangi bir cismin üzerinden yansıyarak ya da doğrudan gözümüze gelmesiyle gerçekleştiğini hatırlayabiliriz. Şimdi, bu bilgiyi kenarda tutalım ve Dünya'nın atmosferinde olup biteni anlamaya çalışalım.

Dünya'ya ulaşan Güneş ışınları atmosfere girdiğinde, atmosferdeki moleküllerle etkileşmeye başlar. Bu etkileşim sonucunda, Rayleigh saçılması sebebiyle, kırmızı (yüksek dalga boylu) ışık daha az kırılmaya uğrayarak yoluna devam eder. Daha düşük dalga boyuna sahip olan mavi ışık ise, yine aynı sebepten, daha fazla kırılır. Başka bir deyişle mavi ışık daha fazla saçılmış olur. Saçılan mavi ışığın bir kısmı gözümüze geleceğinden, gökyüzünü mavi renkte görmüş oluruz.

Saçılmaya Sebep Olan Şey Nedir?

Kabaca, gökyüzünü mavi görmemizin sebebinin atmosferdeki moleküllerin Güneş ışığını saçması olduğunu anladık. Peki ya bu saçılma atmosferdeki tüm moleküllerde gerçekleşmekte midir? Temel olarak bu duruma sebep olan şey atmosferdeki nem midir? Yoksa toz parçacıkları mıdır? Ya da başka bir şey midir?

Rayleigh ve Tyndall, bu saçılmaya toz ve su moleküllerin sebep olduğunu düşünüyordu. Ancak eğer bu doğru olsaydı, havanın nem miktarı değiştiğinde, gökyüzünün renginin, gözlemlenenden daha fazla değişmesi gerekirdi. Bu sebeple, atmosferdeki azot ve oksijenin saçılmaya sebep olduğu düşünülmeye başlandı.

Albert Einstein 1911 yılında, saçılmayı oldukça detaylı bir hesapla açıkladı. Çalışmaları, deneysel verilerle de örtüşüyordu. Şu an biliyoruz ki, elektromanyetik dalgalar (ışık), oksijen ve azot moleküllerine çarptığında elektrik dipol momenti indüklemektedir. Bu durum sebebiyle, bu moleküllere çarpan elektromanyetik dalgalar saçılmaktadır. Başka bir deyişle, gökyüzünün mavi olmasından oksijen ve azot molekülleri sorumludur.

Gökyüzü neden mavidir sorusunun cevabını Rayleigh saçılmasıyla açıklarız, lakin bu yeterli değildir. Rayleigh saçılması birçok yerde olabilir, ama gökyüzünü illa mavi yapmak zorunda değildir. Baskın gelebilmesinin nedeni, Dünya'nın atmosferinde yer alan azot ve oksijen molekülleridir. Başka bir gezegende durum farklı olabilir.

Gökyüzü Neden Mor Değil?

Gökyüzü neden mavidir sorusuna cevap vermeye başlamadan önce, en çok kırılan ışığın mor ışık olduğunu söylemiştik. Bu noktada, mor ışık mavi ışıktan daha da fazla kırıldığı için, gökyüzünün neden mor yerine mavi olduğunu merak etmiş olabilirsiniz.

Yaptığınız çıkarımlar aslında oldukça doğrudur. Ancak, Güneş ışığının spektrumuna baktığımızda mor ışığın yoğunluğunun, maviye kıyasla düşük olduğunu görebiliriz. Yani, Güneş'ten gelen ışık daha fazla mavi, daha az mor ışık içermektedir. Bunun yanı sıra, gözümüz, mor ışığa, maviye olduğu kadar duyarlı değildir. Bu iki durum sebebiyle, gökyüzünü mor yerine mavi renkte görürüz.

Gökyüzü neden mavidir sorusuna verilen cevaplarda atlanan bir diğer nokta, gökyüzünün neden mor olmadığıdır. Çünkü açıklama gereğince mor daha çok kırılmaktadır. Gökyüzünün mor olmama nedeni, Güneş'ten gelen mor ışığın maviye göre daha az olması ve maviyi daha iyi algılamamızdan kaynaklanır.

Gökyüzü Güneş Batarken Neden Kırmızı Görünür?

Böylece, gökyüzü neden mavidir sorusuna tam teşeküllü bir cevap vermiş olduk. Bu noktada aklımıza benzer bir soru gelmesi kaçınılmazdır. "Peki ya gökyüzü Güneş batarken neden kırmızılaşıyor?" Bu sorunun cevabı da Rayleigh saçılmasıyla ile verilebilir.

Güneş ufka yakın konumdayken (B) Güneş ışınlarının aldığı mesafe, dik konumdakinden (A) çok daha fazladır. Bu da, mavi ışığın, Güneş ufuktayken çok daha fazla kırılması ve bize ulaşamaması anlamına gelir. Öte yandan, kırmızı ışık ise çok daha az kırılacaktır.

Bu durumda, gözümüze ulaşan ışık kırmızı olacaktır. Böylece, Güneş batarken gökyüzü gözümüze kırmızı görünmeye başlar (bkz. Güneş Batarken Neden Kırmızı Görünür).

Hazırlayan:Ege Can Karanfil
Editör: Ögetay Kayalı

Referanslar

1. SciJings, "Gökyüzü Neden Mavidir?" <https://scijinks.gov/blue-sky/>

2. NASA, "Gökyüzü Neden Mavidir?" <https://spaceplace.nasa.gov/blue-sky/en/>

3. HyperPhysics, "Mavi Gökyüzü" <http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/atmos/blusky.html>

4. Gigahertz-Optik, "Spectral sensitivity of the human eye" <https://light-measurement.com/spectral-sensitivity-of-eye/>

5. MetOffice, "Gökyüzü Neden Mavidir?" <https://www.metoffice.gov.uk/weather/learn-about/weather/optical-effects/why-is-the-sky-blue>

6. UCR, "Why is the sky blue?" <https://math.ucr.edu/home/baez/physics/General/BlueSky/blue_sky.html>

Kapak görseli: leedo via Twenty20