ทำไมท้องฟ้าจึงเป็นสีฟ้า?

• เมื่อแสงชนกับ โมเลกุลไนโตรเจนและออกซิเจน ในชั้นบรรยากาศ แสง สีน้ำเงิน ที่มีความยาวคลื่นสั้นจะกระเจิงมากกว่าสีอื่นอย่างมาก
• ปรากฏการณ์นี้เกี่ยวข้องกับ ความถี่เรโซแนนซ์ของกลุ่มเมฆอิเล็กตรอน ของโมเลกุล และเป็นผลของ การกระเจิงแบบ Rayleigh ที่ยิ่งความยาวคลื่นสั้น การกระเจิงก็ยิ่งแรง
• แม้ว่า สีม่วง จะกระเจิงมากกว่า แต่มนุษย์ไวต่อสีนั้นน้อยกว่า และบางส่วนยังถูก ชั้นโอโซน ดูดกลืน ทำให้ท้องฟ้าดูเป็นสีฟ้า
• ในช่วง พระอาทิตย์ขึ้น·พระอาทิตย์ตก แสงต้องผ่านชั้นบรรยากาศมากขึ้น ทำให้แสงสีน้ำเงินส่วนใหญ่ถูกกระเจิงหายไป เหลือเพียง แสงสีแดง จึงเห็นท้องฟ้าเป็นสีแดง
• หลักการนี้ใช้อธิบายความแตกต่างของ สีชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์ เช่น โลก·ดาวอังคาร·ดาวพฤหัสบดี และแบ่งได้เป็น การกระเจิงแบบ Rayleigh, Mie, Geometric ตามขนาดของอนุภาค

---

หลักการพื้นฐานของแสงและสี

• สีของวัตถุถูกกำหนดโดย การรวมกันของความยาวคลื่นของโฟตอน ที่เข้าสู่ดวงตา
  • ในกรณีส่วนใหญ่ แสงหลายความยาวคลื่นจะผสมกัน และสมองรับรู้เป็นสีเดียว
  • ตัวอย่างเช่น สีเทอร์ควอยซ์ อาจรับรู้ได้จากความยาวคลื่นเดี่ยวใกล้ 500nm หรือจากการผสมของ 470nm และ 540nm
• เมื่อแสงอาทิตย์กระทบชั้นบรรยากาศ สีส่วนใหญ่จะผ่านไปได้ แต่ โฟตอนสีน้ำเงิน จะกระเจิงออกไปหลายทิศทางและกระจายทั่วท้องฟ้า
  • ด้วยเหตุนี้ ไม่ว่าจะมองไปทางไหนในท้องฟ้ากลางวันที่ปลอดโปร่ง แสงสีน้ำเงินก็จะเข้าสู่ตาเรา

เหตุใดแสงสีน้ำเงินจึงพิเศษ

• แสงสีน้ำเงินและสีม่วงอยู่ใกล้กับ ความถี่เรโซแนนซ์ ของกลุ่มเมฆอิเล็กตรอนในโมเลกุล ไนโตรเจน(N₂) และ ออกซิเจน(O₂) มากที่สุด
  • เมื่อโฟตอนผ่านใกล้โมเลกุล กลุ่มเมฆอิเล็กตรอนจะสั่นด้วยความถี่เดียวกัน และยิ่งใกล้เรโซแนนซ์ แอมพลิจูดก็ยิ่งมากขึ้น
  • ยิ่งการสั่นแรง โอกาสที่โฟตอนจะ ไม่พุ่งตรงแต่ถูกกระเจิง ก็ยิ่งสูง
• ความเข้มของการกระเจิงแปรผันตาม กำลังสี่ของความถี่ ดังนั้นยิ่งความถี่สูง(ความยาวคลื่นสั้น) ก็ยิ่งแรงมาก
  • สีม่วงจึงกระเจิงมากกว่าสีแดงประมาณ 10 เท่า
• แต่เหตุที่ท้องฟ้าไม่เป็นสีม่วง เพราะดวงตามนุษย์มี ความไวต่อสีม่วง ต่ำ และ รังสีอัลตราไวโอเลต บางส่วนถูกชั้นโอโซนดูดกลืน

ท้องฟ้าสีแดงยามพระอาทิตย์ขึ้นและตก

• เมื่อดวงอาทิตย์อยู่ต่ำ แสงจะต้องผ่าน เส้นทางในชั้นบรรยากาศที่ยาวขึ้นประมาณ 40 เท่า
  • ระหว่างทางนี้ แสงสีน้ำเงินและสีเขียวส่วนใหญ่จะถูกกระเจิงหายไป เหลือเพียง แสงสีแดงที่กระเจิงน้อยกว่า
• ดังนั้นท้องฟ้าในยามเย็นและยามเช้าจึงดูเป็นสีแดง

เหตุใดเมฆจึงเป็นสีขาว

• เมฆประกอบด้วย หยดน้ำขนาดประมาณ 0.02mm ซึ่งใหญ่กว่าโมเลกุลมาก
  • หยดน้ำแต่ละหยดจะ สะท้อนและหักเหแสงทุกความยาวคลื่นไปหลายทิศทางราวกับปริซึม
  • เมื่อหยดน้ำนับล้านล้านหยดกระจายทุกสีออกไป เมฆจึงมองเห็นเป็น สีขาวหรือสีเทา
• หลักการนี้ใช้ได้กับอนุภาคที่ใหญ่กว่าอย่าง ฝน·หิมะ·ลูกเห็บ ด้วย จึงมักมีแนวโน้มเป็นสีขาวเช่นกัน

ท้องฟ้าสีแดงและพระอาทิตย์ตกสีน้ำเงินบนดาวอังคาร

• ชั้นบรรยากาศของดาวอังคารมี ฝุ่นละเอียดที่อุดมด้วยธาตุเหล็ก จำนวนมาก จึง ดูดกลืนแสงสีน้ำเงิน และ กระเจิงแสงสีแดง
  • อนุภาคของแข็งดูดกลืนแสงได้หลายความยาวคลื่น โดยเฉพาะในย่าน สีม่วง·อัลตราไวโอเลต อย่างแรง
  • นั่นเป็นเพราะอิเล็กตรอนในโมเลกุลของฝุ่นสามารถถูกกระตุ้นโดยโฟตอนพลังงานสูง(สีม่วง·อัลตราไวโอเลต)
• ในทางกลับกัน พระอาทิตย์ตกบนดาวอังคาร จะเห็นบริเวณรอบดวงอาทิตย์เป็นสีน้ำเงิน เพราะฝุ่นทำให้ แสงสีน้ำเงินเกิดการกระเจิงไปข้างหน้า
  • แสงสีแดงจะกระเจิงในมุมที่กว้างกว่าและกระจายไปยังท้องฟ้ารอบ ๆ ส่วนแสงสีน้ำเงินจะรวมตัวใกล้ดวงอาทิตย์

หลักสามประการของสีชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์

• โมเลกุลก๊าซขนาดเล็ก → ชั้นบรรยากาศสีน้ำเงิน/สีฟ้าอมเขียว
  • ตัวอย่าง: โลก(ไนโตรเจน·ออกซิเจน), ดาวยูเรนัส·ดาวเนปจูน(ไฮโดรเจน·ฮีเลียม)
  • สีน้ำเงินเข้มของดาวเนปจูนและดาวยูเรนัสเกิดจาก มีเทนดูดกลืนแสงสีแดง
• ฝุ่น·หมอกควัน → ชั้นบรรยากาศสีแดง/ส้ม/เหลือง
  • ตัวอย่าง: ดาวอังคาร(ฝุ่นออกไซด์ของเหล็ก), ไททัน(หมอกควันอินทรีย์), ดาวศุกร์(หมอกควันที่มีองค์ประกอบของกำมะถัน)
• เมฆ → ชั้นบรรยากาศสีขาว/เทา
  • ตัวอย่าง: โลก(หยดน้ำ), ดาวศุกร์(เมฆกรดซัลฟิวริก), ดาวอังคาร(เมฆน้ำแข็งน้ำ)

การคาดการณ์และการตรวจยืนยันชั้นบรรยากาศของดาวพฤหัสบดี

• หากทำนายสีของชั้นบรรยากาศดาวพฤหัสบดีด้วยแบบจำลองอย่างง่าย
  • บริเวณสีแดง: เป็น หมอกควันจากปฏิกิริยาเคมี ไม่ใช่ฝุ่น เพราะไม่มีแกนของเหลว
  • บริเวณสีขาว: เป็น เมฆน้ำแข็งแอมโมเนีย
  • บริเวณสีเทาอมฟ้า: เกิดจากการกระเจิงของ โมเลกุลไฮโดรเจน·ฮีเลียม
• ผลการสังเกตจริงของ ยานสำรวจ Galileo ก็สอดคล้องกับสิ่งนี้ โดยยืนยันชั้นไฮโดรเจน·ฮีเลียมที่แห้งอยู่ระหว่างเมฆ

การกระเจิงสามประเภท

• การกระเจิงแบบ Rayleigh: เมื่ออนุภาคมีขนาดเล็กกว่าความยาวคลื่นมาก โดยแสงความยาวคลื่นสั้น(สีน้ำเงิน)เด่นกว่า
• การกระเจิงแบบ Mie: เมื่อขนาดอนุภาคใกล้เคียงกับความยาวคลื่น พบใน ฝุ่น·หมอกควัน และมีทิศทางเด่นชัด
• การกระเจิงแบบ Geometric: เมื่ออนุภาคมีขนาดใหญ่กว่าความยาวคลื่นมาก โดย เมฆ·ผลึกน้ำแข็ง สะท้อนทุกสี
• อัตราส่วนสัมพัทธ์ ระหว่างขนาดอนุภาคกับความยาวคลื่นเป็นตัวกำหนดรูปแบบการกระเจิง
  • หากใช้ความยาวคลื่นที่ยาวกว่า การกระเจิงจะลดลง จึงทำให้ กล้องอินฟราเรดมองทะลุควันได้

บทสรุป

• สีของท้องฟ้าอธิบายได้ด้วย ความสัมพันธ์ระหว่างขนาดอนุภาคกับความยาวคลื่นของแสง
• ทั้งท้องฟ้าสีฟ้าของโลก ท้องฟ้าสีแดงของดาวอังคาร และท้องฟ้าสีเหลืองของดาวศุกร์ ต่างตั้งอยู่บน หลักการกระเจิง เดียวกัน
• ความเข้าใจเรื่องการกระเจิงแบบ Rayleigh, Mie, Geometric เป็นหัวใจสำคัญของ การสร้างแบบจำลองชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์และเทคโนโลยีด้านทัศนศาสตร์

[GN⁺]

ความคิดเห็นจาก Hacker News

• ประทับใจเกร็ดจากการสอบปากเปล่าวิทยานิพนธ์ปริญญาเอกในหนังสือ The Cuckoo’s Egg ของ Cliff Stoll
  มีศาสตราจารย์คนหนึ่งถามคำถามง่าย ๆ ว่า “ทำไมท้องฟ้าจึงเป็นสีฟ้า?” และคำถามนั้นก็ขยายไปสู่การสำรวจเชิงลึกที่ไปไกลถึง กลศาสตร์ควอนตัม

  • คิดว่าน่าจะมี ปัจจัยทางชีววิทยา รวมอยู่ด้วย ดวงตามนุษย์ไวต่อสีน้ำเงินมากกว่าสีม่วง ดังนั้นแม้ในความเป็นจริงสีม่วงจะถูกกระเจิงมากกว่า แต่เราก็ไม่ได้รับรู้แบบนั้น
    คนที่มีภาวะตาบอดสีบางประเภท (โดยเฉพาะ tritanopia) จะไม่สามารถรับรู้สีน้ำเงินได้เลย ในแง่นี้การรับรู้สีจึงไม่ได้ขึ้นอยู่กับปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์เท่านั้น แต่ยังขึ้นกับ สรีรวิทยาและภาษา ของมนุษย์ด้วย
  • คำถามอย่าง “ลองอธิบายให้เฉพาะเจาะจงกว่านี้” เป็นวิธีที่ยอดเยี่ยมในการดูว่าอีกฝ่ายรู้มากแค่ไหน
    เช่นคำถามว่า “Java ทำงานอย่างไร?” ก็สามารถขุดลึกลงไปได้ตั้งแต่การตีความไบต์โค้ดของ JVM เป็นต้น
  • รู้สึกตื่นเต้นกับความคิดที่ว่า ต่อไปจะมีคนรุ่นที่สามารถได้รับ คำตอบที่แม่นยำและเข้าใจได้ ทันทีสำหรับทุกคำถาม

• เรื่องที่น่าสนใจคือ ผีเสื้อสีน้ำเงิน ส่วนใหญ่นั้นจริง ๆ แล้วไม่ได้เป็นสีน้ำเงินจากเม็ดสี แต่เกิดจาก การสะท้อนแสงเชิงโครงสร้าง
  สันขนาดจิ๋วบนผิวปีกสะท้อนความยาวคลื่นบางช่วงจนเกิดเป็นสีน้ำเงิน และเมื่อเปียกน้ำหรือเปลี่ยนมุม สีนี้ก็จะหายไป

  • เลยสงสัยว่าเหตุผลที่ สีน้ำเงินจากการแทรกสอด แบบนี้วิวัฒนาการขึ้นมา เป็นเพราะในทางชีวเคมีการสร้างเม็ดสีสีน้ำเงินทำได้ยากหรือไม่
    หรืออาจเคยมีความเป็นไปได้ที่มนุษย์จะเก็บผีเสื้อสีน้ำเงินมาใช้เป็นเม็ดสีมาตั้งแต่สมัยก่อน เหมือน Tyrian purple
  • นกก็ใช้สีเชิงโครงสร้างด้วยหลักการเดียวกัน สีแบบนี้น่าจะวิวัฒนาการมาเพื่อเป็น สัญญาณทางสายตา มากกว่าจะใช้พรางตัว
    อนึ่ง ดวงตาสีฟ้าก็ไม่มีเม็ดสีเช่นกัน แต่ดูเป็นสีฟ้าเพราะ Rayleigh scattering
  • ยังมีบริษัทที่นำหลักการนี้ไปใช้กับเทคโนโลยีจอภาพด้วย ตัวอย่างคือ Interferometric Modulator Display ของ Iridigm ที่ Qualcomm เข้าซื้อกิจการ

• การถกเรื่องการใช้คำว่า “Scattering” ในเชิงไวยากรณ์ก็น่าสนใจเช่นกัน
  ในภาษาอังกฤษ labile verb คือกริยาที่ใช้ได้ทั้งแบบมีกรรมและไม่มีกรรม และ “scatter” ก็เป็นตัวอย่างหนึ่ง
  Intransitive: Blue light scatters / Transitive: Molecules scatter blue light

  • ภาษาอังกฤษเป็นภาษาที่รับกริยารูปแบบนี้ได้ยืดหยุ่นดี เลยอดสงสัยไม่ได้ว่าในอดีตเคยมีสำนวนอย่าง “this novel reads well” มาก่อนหรือไม่
  • ผมสงสัยมาตลอดว่ามีกริยารับความรู้สึกแบบบุรุษที่หนึ่งอย่าง ‘listen’ แต่ไม่มีคำคู่กันในบุรุษที่สามหรือไม่ ภาษาเยอรมันหรือนอร์ดิก มีคำแบบนั้นหรือเปล่า
  • กริยาแบบ labile ยังเป็นสาเหตุหนึ่งที่ทำให้ภาษาธรรมชาติมี ความกำกวม ด้วย เช่น “The bell rang” กับ “John rang the bell”
  • กำลังลังเลว่าจะ เพิ่มเรื่องนี้เป็นคำอธิบายในภาคผนวกดีไหม
  • เป็นประเด็นทางภาษาที่น่าสนใจมาก ถึงขั้นมีมุกว่า “ทีนี้ก็ลองทำ clam steamers กับ shrimp fried rice ดูสิ”

• ถ้าจะอธิบายคำถาม “ทำไมท้องฟ้าจึงเป็นสีฟ้า” แบบง่าย ๆ ก็อาจพูดได้ว่า เป็นเพราะ อากาศมีสีฟ้า
  เมื่อมองใกล้ ๆ มันดูโปร่งใส แต่ถ้าแสงผ่านอากาศในปริมาณมากพอ สีฟ้าจะปรากฏออกมา คล้ายกับน้ำขุ่นที่เมื่อมีปริมาณน้อยก็ยังดูใสได้

  • อย่างไรก็ตาม ต้องแยก ความแตกต่างระหว่างการดูดกลืนกับการกระเจิง ให้ออก สีฟ้าของท้องฟ้ากับสีฟ้าของกระจกสีเป็นปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์คนละแบบโดยสิ้นเชิง
    เพราะฉะนั้นการบอกว่าเป็น “ความโปร่งใสที่อมฟ้า” อาจแม่นยำกว่า
  • จริง ๆ แล้วอากาศก็เป็นสีฟ้านั่นเอง สีเกิดขึ้นจาก ปฏิสัมพันธ์เชิงโครงสร้างของแสง ไม่ใช่จากเม็ดสีเหมือนปีกนก
    ถ้าส่องแสงสีขาวผ่านเสาอากาศจากอวกาศ แสงนั้นก็น่าจะดูเป็นสีฟ้า

• คำถามว่าทำไมตอนพระอาทิตย์ตกท้องฟ้าจึงไม่ดูเป็น สีเขียว ก็น่าสนใจเช่นกัน

  • ในความเป็นจริง ด้วย การเปลี่ยนแปลงของค่าน้ำหนักตามความยาวคลื่น ทำให้สีเขียวเด่นขึ้นชั่วครู่ แต่เพราะทับซ้อนกับความยาวคลื่นอื่นจึงไม่กลายเป็นสีหลัก
    จึงเปลี่ยนไปตามลำดับจากแดง → ส้ม/เหลือง → เขียวอมฟ้าอ่อน ๆ → น้ำเงินเข้ม
  • สีของท้องฟ้าไม่ได้กำหนดโดยความยาวคลื่นเดี่ยว แต่เป็น ส่วนผสมของหลายความยาวคลื่น การกระเจิงไม่ได้ตัดออกแค่สีน้ำเงิน แต่ยังตัดสีเขียวไปบางส่วนด้วย จึงไม่เกิดท้องฟ้าสีเขียว
    ถ้าลองทำการไล่สีด้วย RGB สีตรงกลางจะดูคล้าย สีน้ำตาล ซึ่งจริง ๆ แล้วใกล้กับแบบจำลองทางฟิสิกส์มากกว่า
  • แต่ก่อนพระอาทิตย์ตกจริง ๆ จะมีปรากฏการณ์ green flash ปรากฏขึ้นชั่วขณะ ดูได้ที่ Green flash ซึ่งสามารถสังเกตได้เมื่อเงื่อนไขเหมาะสม
  • สุดท้ายแล้ว เมื่อดวงอาทิตย์ยังอยู่สูง สีน้ำเงิน สีเขียว และสีแดง จะผสมกันจนดูเป็นสีขาว จากนั้นความยาวคลื่นพลังงานสูงจะค่อย ๆ หายไปและเกิดช่วง Golden Hour

• สาเหตุที่โปสเตอร์ข้างหน้าต่างค่อย ๆ ซีดจนอมฟ้า เมื่อเวลาผ่านไป ก็เป็นหลักการเดียวกัน
  เม็ดสีเหลืองและแดงจะดูดกลืน แสงสีน้ำเงินและรังสีอัลตราไวโอเลต จนพันธะโมเลกุลแตกสลาย ทำให้สีน้ำเงินที่เหลืออยู่คงทนกว่าโดยเปรียบเทียบ

• ถ้าอยากลองทำ “ทำไมท้องฟ้าจึงเป็นสีฟ้า” ขึ้นมาด้วยตัวเอง ก็น่าจะลองสร้าง atmospheric shader ด้วย three.js
  จะช่วยให้เข้าใจการกระเจิงของแสง ตำแหน่งของผู้สังเกต และองค์ประกอบของบรรยากาศได้ในเชิงภาพ และทำเสร็จแล้วยังได้เอฟเฟ็กต์ภาพสวย ๆ ด้วย

  • สิ่งที่ทำให้ผมเข้าใจแนวคิดนี้อย่างถ่องแท้คือ Alan Zucconi's atmospheric scattering tutorial
    มากกว่าคำอธิบายแบบง่าย ๆ เสียอีก โค้ดที่ สร้างภาพจริงออกมา แสดงหลักการได้ชัดเจนกว่ามาก

• ความหลงใหลในวิทยาศาสตร์ ระดับนี้ยอดเยี่ยมจริง ๆ
  อยากให้มีคนรู้สึกสนใจ STEM แบบนี้มากขึ้น เพราะนี่คือแกนหลักที่ค้ำจุนอารยธรรมสมัยใหม่

• เหตุผลที่ดวงอาทิตย์ดูออกเหลืองเมื่ออยู่สูง ก็เพราะระหว่างผ่านชั้นบรรยากาศ ความยาวคลื่นสั้น บางส่วนถูกกระเจิงออกไป ทำให้แสงที่เหลือดูเป็นสีเหลือง

• ยังมีคอมเมนต์ขำ ๆ ว่า “ท้องฟ้าเป็นสีฟ้าเพราะมี DemocRats เยอะ” แต่ก็ไม่เกี่ยวกับการอภิปรายทางวิทยาศาสตร์