ما سبب زرقة السماء؟

إذا كنتَ قرأت إجابة السؤال الأول بالفعل، فأنت تعرف لماذا تكون السماء مظلمة ليلًا. ولكن إذا كنتَ تتأمل تلك الإجابة، فلعلك بدأت تتساءل لماذا لا تظلم السماء نهارًا أيضًا، باستثناء الجزء الواقع في اتجاه الشمس. على كل حال، تنطبق الحجج التي استخدمتُها لشرح السبب وراء ظلمة سماء الليل بالقوة ذاتها على وقت النهار. وتُظهِر الصور التي التقطها بعض رواد الفضاء على القمر أن السماء هناك مظلمة بالفعل طَوال الوقت، باستثناء الجزء الواقع في اتجاه الشمس. لذا فلا بد أن الإجابة مرتبطة بوجود غلاف جوي حول الأرض وعدم وجود غلاف جوي حول القمر. لكني لا أنوي إسكاتك بإجابة غير مقنعة بأن أكتفيَ قائلًا إن ذلك «يرجع إلى وجود غلاف جوي حول الأرض». فالسؤال عندئذٍ يُصبح: «كيف يجعل الغلاف الجوي السماء زرقاء؟»

كما هي الحال في العديد من الظواهر العلمية، يبدأ تفسير هذه الظاهرة بدراسة أجراها إسحاق نيوتن في القرن السابع عشر. ففي منتصف الستينيات من القرن السابع عشر، كان نيوتن قد حصل للتو على درجة البكالوريوس من جامعة كامبريدج وعاد إلى منزله في وولستورب في لينكولنشاير، لتجنب الإصابة بالطاعون أثناء تفشِّيه. فأسفر ذلك عمَّا يُعرف ﺑ «عام معجزاته» الذي استطاع فيه، بفضل تحرره من أي مشتتات خارجية، أن يتوصل إلى العديد من الاكتشافات العلمية المهمة. وقد انبثق الاكتشاف الذي يهمنا هنا من دراسته للضوء.

كان من المعروف تمامًا بحلول عصر نيوتن أن الضوء القادم من الشمس عندما يمر خلال قطعة زجاجية مثلثية، تسمى المنشور، فإنه يخرج من الجانب الآخر في شكلِ نمطٍ من الألوان، كألوان قوس قُزح. وقد أثارت هذه الظاهرة اهتمام نيوتن بعدما اشترى قطعة زجاجية كهذه كانت تُباع على أنها تحفة نادرة في أحد المعارض. كذلك فإنَّ الضوء ينحني (أو ينكسر) في طريقه خلال الزجاج، وتخرجُ تلك الألوان المختلفة بزوايا مختلفة قليلًا. وكان يبدو التفسير الواضح لهذه الظاهرة، قبل ظهور نيوتن، أن الضوء الأبيض «الخالص» يتلون بفعل الشوائب التي يلتقطها من الزجاج في طريقه خلال المنشور، لكن نيوتن ابتكر تجربة عبقرية لاختبار هذه الفكرة.

ومن ثم، خلَص نيوتن إلى وجود استنتاج واحد فقط يمكن أن يفسر كل ذلك. وهو أن الضوء الأبيض ليس خالصًا، بل مكون في الواقع من مزيجٍ من كل ألوان قوس قزح، وكل لون بحد ذاته يُمثِّل صورة خالصة من الضوء. وعلاوة على ذلك، يُفسِّر هذا كيفية نشأة أقواس قزح نفسها بفعل الانكسار، مع أن تلك العملية تنطوي أيضًا على حدوث انعكاس داخل قطيرات الماء، ولذا يتحتم أن تكون الشمس خلفك لكي ترى قوس قزح.

في بداية القرن التاسع عشر، كان عالم الفلك ويليام هيرشل يدرس طيف ضوء الشمس فاكتشف وجود «لون» من الإشعاع ذي طول موجي أطول من الضوء الأحمر، ولا نستطيع رؤيته بالعين المجردة لكنه يُسخِّن السطح الذي يلمسه. أصبح هذا يُعرَف باسم الأشعة تحت الحمراء. وتتجلى إحدى صوره في الدفء الذي تشعر به إذا وضعت يدك بالقرب من المشعاع دون أن تلمسه. ويوجد أيضًا إشعاعٌ ذو أطوال موجية أقصر من الضوء البنفسجي، ويُسمى بالأشعة فوق البنفسجية. تكهَّن عدة علماء، أبرزهم الفرنسي جوزيف فورييه، بأن الغلاف الجوي للأرض يُعَد نوعًا ما بمثابة بطانية؛ إذ يجعل سطح كوكبنا أكثر دفئًا ممَّا كان سيصير عليه بدون غلاف جوي، لكن تيندال هو مَن أجرى التجارب التي أكدت ذلك بقياس كمية الأشعة تحت الحمراء التي تمتصها الغازات المختلفة. تضمنت التجارب تمرير إشعاع منبعث من مصدر ساخن خلال أنبوب زجاجي طويل وقياس مقدار الحرارة التي اجتازت الغاز في الأنبوب. فوجد أن النيتروجين والأكسجين، المُكونَين الرئيسيَّين للغلاف الجوي، يمتصان كمية قليلة جدًّا من الأشعة تحت الحمراء، لكن غاز ثاني أكسيد الكربون وبخار الماء يمتصان كمية كبيرة. واستنتج من ذلك أن الطاقة القادمة من الشمس في الجزء المرئي من الطيف تعمل على تدفئة سطح الأرض، ثم يُشع السطح الدافئ تلك الطاقة مُعيدًا إياها إلى الخارج في صورة أشعة تحت حمراء تبقى محبوسة في الغلاف الجوي. وعلى حد تعبير تيندال في عرض تقديمي أمام الجمعية الملكية في يونيو عام ١٨٥٩، «فعندما يمتص الكوكب الحرارة، تتغير جودتها بشدة لدرجة أن الأشعة المنبعثة من الكوكب لا تستطيع العودة إلى الفضاء بالحُرية نفسها. وبذلك فإنَّ الغلاف الجوي يسمح بدخول الحرارة الشمسية؛ لكنه يكبح خروجها، ما يُسفر عن نزعةٍ إلى تراكم الحرارة عند سطح الكوكب». وكتب تيندال أن الأرض، لولا هذه الغازات، «لوقَعَت في قبضةٍ حديدية مُحكَمة من الصقيع».

جون تيندال. (مؤسسة سميثسونيان عبر موقع «ويكيميديا كومنز».)

كان تفسير السبب وراء زرقة السماء يحير علماء كثيرين آنذاك، وكان تيندال بالأخص مهتمًّا بمعرفة السبب لأنه كان مولعًا بتسلق الجبال وكثيرًا ما رأى السماء زرقاء صافية فوق جبال الألب، ولونًا مُزرَقًّا طفيفًا في الضوء المنعكس من الثلج، وتَشتُّت الضوء في السُّحُب والضباب. وقد توصَّل إلى اكتشافه الكبير بفضل التحسينات التي طرأت على المصابيح الكهربائية في ستينيات القرن التاسع عشر. ففي عام ١٨٦٨، كان تيندال يُجري تجربة بسُحُب اصطناعية في أنبوبه المليء بغاز ثاني أكسيد الكربون، فلاحظ أنه إذا احتوى الأنبوب على غاز غباري، وسُلِّط بطولِه شعاعٌ من ضوء كهربائي أبيض، فسيبدو «مسار الشعاع أزرق بوضوح» عند النظر إليه من الجانب. ثم أظهر في تجارب لاحقة أن اللون الأزرق ربما نشأ مع تكوُّن السُّحُب في الأنبوب، وأنه كان أقوى عندما كانت الجزيئات أصغر، وأنه صار أضعف مع ازدياد حجم الجسيمات. لم يتحقق ذلك التأثير إلَّا في حالة الجسيمات الصغيرة جدًّا؛ بالأحرى في «جزء صغير جدًّا من طول موجة الضوء البنفسجي»، على حد قول تيندال في مقالة قرأها في الجمعية الملكية في يناير عام ١٨٦٩. لكنه لم يستطع تحديد الجسيمات التي شاركت في إحداث هذا التأثير بالضبط ولا تفسير سبب بروز الضوء الأزرق هكذا. ثم كان صاحبُ الخطوة التالية جون ويليام ستروت (المعروف باسم اللورد رايلي، وهو لقب ورثه في عام ١٨٧٣، عند وفاة والده).

فانطلاقًا من عمل تيندال، نشر رايلي عدة أوراق بحثية تكللت بإسهامٍ علمي ظهر في عام ١٨٨١. إذ استطاع، بفضل الفهم العميق الذي أتاحه ماكسويل، أن يُعوِّض بأرقام فعلية في الحسبة المتعلقة بتفاعل الضوء مع الجسيمات ذات الشحنة الكهربائية، مع أنه لم يكن هناك أحد آنذاك، قبل نحو ٢٠ عامًا من اكتشاف الإلكترون، يعرف بالضبط ما هي الجسيمات المشاركة في ذلك التفاعل. وكانت الحقيقة الأساسية التي اتضحت من عمل رايلي أنه فيما يتعلق بجسيمات أصغر بكثير من الطول الموجي للإشعاع، تتناسب كمية التشتت الناتجة بهذه الطريقة مع العدد واحد مقسومًا على الطول الموجي للإشعاع الكهرومغناطيسي مرفوعًا للأس أربعة. بعبارة أخرى، كلما كان الطول الموجي أقصر، كان التشتت أكبر. ولأسباب واضحة، يُعرف هذا بقانون التربيع العكسي. ومن ثَم فإنه بناءً على الأطوال الموجية التي ذكرتها للضوءين الأحمر والأزرق، من السهل حساب أن الضوء الأزرق يتشتت بمقدارٍ أكبر بنحو ثماني مرات من تشتُّت الضوء الأحمر بفعلِ الجسيمات التي توجد في الهواء، والتي صرنا نعرف الآن أنها ذرات وجزيئات. تُعرف هذه العملية باسم تشتُّت رايلي، وهذا يبدو ظُلمًا لتيندال الذي كان هو من اكتشف الظاهرة أصلًا، لكن تلك هي طبيعة الأمور.

أستطيع الآن وأنا متسلح بكل هذه المعلومات أن أشرح السبب وراء زُرقة السماء. فهو يرجع إلى أن الضوء الأزرق المنبعث من الشمس لا يرتد ببساطة من جزيء إلى آخر، كالكرة التي ترتد من مَصَدٍّ إلى آخر في لعبة البينبول. بل إنَّ ما يحدث في الواقع أن الجزيء يمتص الضوء، فيكتسب طاقة في هذه العملية، ثم يشع الضوءَ على الفور تقريبًا في كل الاتجاهات، فيفقد الطاقة التي اكتسبها للتو. وصحيح أن الجزيئات تُشع نفس اللون الذي امتصته، لكن كفاءة العملية برمتها في إشعاع الضوء الأزرق أكبر ثماني مرات من كفاءة إشعاع الضوء الأحمر. يتكرر هذا مرارًا، ويظل الضوء الأزرق ينتشر من جزيء إلى آخر في أرجاء السماء كلها، فيهبط بعضه إلى الأرض (وأعيننا) في نهاية المطاف، بينما يتجه البعض إلى الأعلى باتجاه الفضاء. وكل الضوء الأزرق الذي تراه في السماء، أيًّا كان الجزء الذي تنظر إليه، هو ضوء شمسي تشتت بهذه الطريقة.

أمَّا الضوء الأحمر، فلا يتشتت بسهولة في تلك العملية، بل يرتد عن جزيئات الغبار وقطيرات الماء في الهواء، كما ترتد الكرات من المصدات في آلة البينبول. لذا ينعكس عن السُّحُب والغبار في الهواء، وهذا النوع من التشتت يبلغ ذروته عند شروق الشمس وغروبها، حين تكون الشمس منخفضة في الأفق ويكون أمام الضوء مسافة طويلة ليقطعها خلال الغلاف الجوي، ما يجعل السماء حمراء عند أسفل الأفق وقت غروب الشمس وشروقها.

كل هذا كلام سليم ومقبول تمامًا. لكن أرجو أن تكون قد لاحظت أن هذا يثير سؤالًا آخر. إذا كان تشتت رايلي يخضع لقانون التربيع العكسي الذي أوضحته للتو (وهو يخضع له بالفعل)، فلماذا لا تكون السماء بنفسجية (أو ربما أرجوانية، إذا أخذنا اللون الأزرق أيضًا في الحسبان)؟ تتضمن الإجابة عن هذا السؤال التكميلي مزيجًا من الفيزياء وعلم الأحياء. فالفيزياء مرتبطة بطبيعة ضوء الشمس. إذ تشع الشمس معظم طاقتها في منتصف الطيف المرئي، في نطاق اللونين البرتقالي والأصفر، بينما تشع طاقةً أقل عند طرفَي الطيف، أي في نطاق اللونين الأحمر والبنفسجي. وقد تطورت أعيننا على الاستفادة من الضوء المتاح لها، ولهذا لا نرى سوى هذا النطاق فقط من الإشعاع الكهرومغناطيسي. لذا فكمية الضوء البنفسجي المتاحة للتشتت أقل من كمية الضوء الأزرق المتاحة للتشتت. لكن الطريقة التي تطورت بها أعيننا تؤثر في الكيفية التي نلحظُ بها الضوء المشتَّت.

تحمل أعيننا ثلاثة أنواع فقط من المستقبلات، التي تُعرَف أيضًا بالمخاريط، وتستجيب بأشد قوة للأطوال الموجية الحمراء أو الخضراء أو الزرقاء، بإرسال إشارات إلى أدمغتنا تُفسَّر على أنها مجموعة متنوعة من الألوان على حسب نسبة كلٍّ من هذه الألوان الأساسية الثلاثة. لكن كلًّا من هذه المستقبلات يستجيب في الواقع لمجموعة من الأطوال الموجية، علمًا بأن ذروة استجابة الأول تقع عند طول قريب من ٥٦٤ نانومترًا (وهذا ما يُعرَف بالمخروط الأحمر)، فيما تقع ذروة استجابة الثاني بالقرب من ٥٣٤ نانومترًا (وهو ما يُعرَف بالمخروط الأخضر)، وتقع ذروة استجابة الثالث بالقرب من ٤٢٠ نانومترًا (وهذا هو المخروط الأزرق). صحيح أن الضوء الأزرق هو الذي يحقق أقصى استثارة للمخاريط الزرقاء، لكنها أيضًا تُستثار بألوان أخرى بقوةٍ أقل. كذلك تُستثار المخاريط الأخرى بمجموعة من الأطوال الموجية. إذ تُستثار المخاريط الخضراء استثارة بسيطة بالضوء الأزرق، وإذا صَحَّ ببساطة أن الضوء الأزرق هو ما يتعرض لأكبر تشتُّت، فمن المفترض عندئذٍ أن نرى السماء زرقاء مخضرة. لكن الضوء البنفسجي يتشتت أيضًا، وبسبب شذوذ في السمات الكيميائية الحيوية، فإنَّ المخاريط الحمراء أكثر حساسية بقليل للضوء البنفسجي من المخاريط الخضراء. وفي المجمل، تتعرض المخاريط الحمراء والخضراء لاستثارة شبه متساوية بفعل الضوء القادم من السماء. والنتيجة أن تأثير استثارة المخاريط «الخضراء» بفعل الضوء الأزرق وتأثير استثارة المخاريط «الحمراء» بفعل الضوء البنفسجي يُلاشي كلاهما الآخر، فتلحظ أدمغتنا اللون الأزرق فقط. بذلك نكاد نكون قد وصلنا إلى نهاية قصة سبب زُرقة سمائنا، لكنها ليست نهاية قصة وجود سماوات زرقاء في المجموعة الشمسية.

عندما تلقَّى علماء الفلك صورًا ملونة من سطح المريخ لأول مرة، بعدما عادت بها بعثة «فايكنج لاندر» الأولى في نهاية فبراير ١٩٩٧، فوجئوا حين اكتشفوا أن السماء بدت حمراء. وسرعان ما أدركوا أن ذلك يرجع إلى أن الصور التُقطت في أعقاب عاصفة ألقت بكميات كبيرة من الغبار الأحمر في الغلاف الجوي. ولكن حتى بعد زوال الغبار الناتج من العاصفة، وجدوا أن السماء على المريخ تبدو مختلفة تمامًا عن السماء على الأرض، وهذا أيضًا يُمكن تفسيره بدلالة تشتُّت رايلي.

يتسم الهواء على سطح المريخ بأنه رقيق جدًّا؛ حيث تبلغ كثافته عند السطح أقل من ١ في المائة من كثافة الغلاف الجوي للأرض؛ وهذا يعني أن الجزيئات المتاحة لإحداث التشتت قليلة جدًّا. وبافتراض تساوي العوامل الأخرى، من المفترض عندئذٍ أن تظهر سماء النهار على المريخ بلون أزرق باهت جدًّا. لكن العوامل الأخرى ليست متساوية. فالمريخ جاف جدًّا ومليء بالغبار لدرجة أنه يحمل سديمًا دائمًا من الغبار معلقًا في هوائه، وتُسفر جسيمات الغبار هذه (التي تُعد دقيقة جدًّا، لكنها أكبر بكثير من الجزيئات) عن ارتداد كمية كافية من ضوء الشمس بين حبيبات الغبار، كارتداد الكرات في آلات البينبول، لإضفاء ما يسميه البعض لون «حلوى التوفي» — الذي يُعد أصفر في الواقع — على سماء المريخ. لكن الوضع يختلف وقت غروب الشمس (وشروقها). فعندما تكون الشمس منخفضة في أفق المريخ، يتحتم على الضوء أن يقطع مسافة أطول خلال الغلاف الجوي الرقيق، ويُصادف جزيئات كافية كي يبدأ تشتت مؤثر في الحدوث. لذا فإنَّ السماء على المريخ تبدو زرقاء وقت الغروب!

ولكن إذا كنت تريد رؤية سماء ذات زُرقة مذهلة، فأفضل مكانٍ لك أن تكون معلَّقًا من منطاد طاف فوق غيوم كوكب المشتري. ففي أكتوبر ١٩٨٩، أُطلقت المركبة الفضائية «جاليليو» التابعة لوكالة ناسا من المكُّوك الفضائي «أتلانتس»، ووصلت إلى كوكب المشتري في ديسمبر ١٩٩٥. وكانت تلك المركبة تحمل مسبارًا لاستكشاف الغلاف الجوي لكوكب المشتري أُطلِقَ من المركبة الفضائية الرئيسية في ١٣ يوليو ١٩٩٥، عندما كان لا يزال على بُعد نحو ٨٠ مليون كيلومتر من الكوكب العملاق، ووُضِع في مسارٍ محسوب وفقًا لقوانين نيوتن للحركة. وصل المسبار إلى الغلاف الجوي لكوكب المشتري في ٧ ديسمبر ١٩٩٥، وأُبطئ بمظلةٍ قُطرها ٢٫٥ متر، ما مكَّنه من إرسال بيانات إلى المركبة لمدة ٥٨ دقيقة، وقياس ضغوط أكبر ٢٣٠ مرة من تلك الموجودة عند مستوى سطح البحر على الأرض، قبل أن يُسحَق تمامًا. وعند هذه الضغوط العالية، التي تتوافق مع الكثافة العالية، يكون تشتُّت رايلي فعَّالًا جدًّا، ما يجعل السماء تكتسي بلون أزرق ساطع لامع. من المؤكد أن نيوتن وتيندال ورايلي وأينشتاين كانوا سيبتهجون بهذا الاكتشاف لو كانوا عاصروه.