Gökyüzü Neden Mavi? Gün Batımı Neden Kızıl?

Açık bir günde başını kaldırıp yukarı bak. O mavilik aslında havanın kendi rengi değil. Hava neredeyse tamamen saydamdır; bir kavanoz dolusu havaya baktığında mavi bir şey göremezsin. Gördüğün renk, Güneş’ten gelen ışığın atmosferdeki sayısız molekülle oynadığı bir tür bilardo oyununun sonucu. Üstelik aynı oyun gün batımını kızıla, bulutları beyaza, Mars’taki gün batımını ise maviye boyuyor.

Güneş ışığı bir renk karışımıdır

1660’larda Isaac Newton, bir cam prizmayla beyaz ışığı gökkuşağının renklerine ayırdı ve beyazın tek bir renk değil, bir renk karışımı olduğunu gösterdi.

Her renk, farklı dalga boyuna sahip bir ışık dalgasıdır. Gözümüzün görebildiği aralık kabaca 380 ile 700 nanometre arasındadır. Mor yaklaşık 400, mavi yaklaşık 450, kırmızı ise yaklaşık 700 nanometredir. Bir nanometre, milimetrenin milyonda biridir. Yani görünür ışığın en uzun dalgası bile bir saç telinin kalınlığının yaklaşık yüzde biri kadardır.

Bu farklı dalga boyları, havayla karşılaştıklarında farklı davranır. Gökyüzünün renginin sırrı tam da burada saklı.

Rayleigh saçılması: Kısa dalgalar daha çok savrulur

Atmosferin yaklaşık %78’i azot, %21’i oksijendir. Bu gazların molekülleri, ışığın dalga boyundan çok daha küçüktür. Bir azot molekülünü 1 santimetrelik bir misket büyüklüğüne şişirdiğimizi düşün: Aynı ölçekte 500 nanometrelik bir ışık dalgası yaklaşık 15 metre uzunluğunda olurdu.

Işık dalgası böyle küçük bir molekülün üzerinden geçerken molekülün elektronlarını titreştirir. Titreşen molekül de ışığı her yöne yeniden yayar. Buna saçılma denir. Çok küçük parçacıklardaki bu saçılmaya, 1871’de olayı matematiksel olarak açıklayan İngiliz fizikçi Lord Rayleigh’in adıyla Rayleigh saçılması (Rayleigh scattering) denir.

Rayleigh saçılmasının kilit kuralı şudur: Saçılmanın şiddeti, dalga boyunun dördüncü kuvvetiyle ters orantılıdır. Dalga boyu yarıya inerse saçılma 2 × 2 × 2 × 2 = 16 kat artar.

Mavi (450 nm) ile kırmızıyı (700 nm) karşılaştıralım: (700 / 450)⁴ ≈ 5,9. Yani mavi ışık, kırmızıdan yaklaşık 6 kat daha fazla saçılır.

Güneş’e doğrudan bakmadığın her yönde gözüne gelen ışık, aslında havadaki moleküllerin sana doğru saçtığı ışıktır. Bu ışık mavi ağırlıklı olduğu için gökyüzünün tamamı mavi bir ışık kaynağı gibi parlar.

Ufka doğru baktığında mavinin soluklaştığını fark etmişsindir. Oradan gelen ışık çok daha kalın bir hava tabakasını geçer ve yolda defalarca saçılır. Renkler birbirine karıştıkça mavi, beyazımsı bir tona döner.

Yaygın yanlış: Gökyüzü, okyanusları yansıttığı için mavi değildir. Çölün ortasında da gökyüzü mavidir. Durum aslında biraz tersidir: Denizin mavi görünmesine, gökyüzünü yansıtması da katkı yapar.

Peki gökyüzü neden mor değil?

İşte işin ilginçleştiği yer. Mor ışığın dalga boyu maviden de kısadır, dolayısıyla daha da fazla saçılır: (450 / 400)⁴ ≈ 1,6. Yani mor, maviden yaklaşık 1,6 kat fazla saçılır. O hâlde gökyüzü neden mor değil?

Bunun iki temel nedeni var:

1. Güneş ışığında mor daha azdır. Mor ışık daha verimli saçılsa da Güneş’ten gelen ışıkta başlangıçtaki miktarı maviden düşüktür.
2. Gözümüz mora daha az duyarlıdır. Gözümüzdeki renk algılayıcı koni hücreleri (cones) üç türdür. Kısa dalgalara duyarlı olanlar bile en iyi mavi ile mor arasındaki sınıra yakın dalga boylarına tepki verir; daha kısa dalgalarda duyarlılık hızla düşer, göz merceği de morun bir kısmını soğurur.

Gökyüzünden gelen ışık, aslında mordan kırmızıya kadar her rengi içeren bir karışımdır. Beynimiz bu karışımı, üç koni türünün verdiği tepkilere bakarak yorumlar. Georgia Teknoloji Enstitüsü’nden Glenn S. Smith, 2005’te yayımladığı bir makalede bu noktayı ayrıntılı biçimde inceledi: Gökyüzü ışığının karmaşık tayfı, gözümüzde saf mavi ile beyazın karışımından ayırt edilemeyen bir tepki üretir. Bu yüzden gökyüzünü koyu bir mor değil, hafif beyazımsı bir mavi olarak görürüz.

Yani gökyüzünün mavi olması kısmen fiziğin, kısmen de biyolojimizin bir sonucudur.

Gün batımı neden kızıl?

Güneş tepedeyken ışığı atmosferi neredeyse dik kesen kısa bir yol izler. Güneş ufka yaklaştıkça bu yol uzar. Güneş tam ufuktayken ışığın geçtiği hava miktarı, Güneş’in tam tepede olduğu duruma göre yaklaşık 38 kat fazladır.

Bu uzun yolculuk boyunca mavi ve mor ışığın büyük kısmı yandan saçılarak ışık demetinden ayrılır. Sana doğrudan ulaşan ışıkta geriye ağırlıklı olarak turuncu ve kırmızı kalır. Güneş diskinin ve çevresindeki gökyüzünün kızıla boyanmasının nedeni budur.

Güzel bir ayrıntı: Senin gün batımından eksilen mavi ışık yok olmuyor. Yol boyunca saçılarak, ışığın geçtiği hattın altında kalan, daha batıdaki ve Güneş’in henüz batmadığı yerlerin gökyüzünü aydınlatıyor.

Havada toz, duman ya da volkanik parçacıklar arttığında gün batımları çok daha çarpıcı olabilir. 1883’teki Krakatoa patlamasından sonra, atmosfere yayılan volkanik parçacıklar nedeniyle dünyanın pek çok yerinde alışılmadık derecede kızıl gün batımları gözlendi.

Bulutlar neden beyaz?

Gökyüzü maviyse bulutlar neden mavi değil? Cevap, parçacıkların boyutunda.

Bir bulut damlacığının çapı tipik olarak birkaç mikrometre ile birkaç on mikrometre arasındadır. 10 mikrometrelik bir damla, 500 nanometrelik bir ışık dalgasından 20 kat büyüktür. Parçacıklar ışığın dalga boyuyla kıyaslanabilir boyutta ya da ondan büyük olduğunda saçılmanın kuralı değişir. Bu duruma, 1908’de Alman fizikçi Gustav Mie’nin geliştirdiği kuramdan dolayı Mie saçılması (Mie scattering) denir.

Mie saçılmasında tüm renkler kabaca eşit miktarda saçılır. Bulutun içindeki sayısız damla ışığı defalarca saçar ve bütün renkler yeniden karışır. Sonuç: beyaz.

Peki fırtına bulutları neden koyu gri? Bulut kalınlaştıkça ışığın çoğu yukarıya doğru geri saçılır ve bulutun altına çok az ışık ulaşır. Gri aslında farklı bir renk değil; yalnızca daha az ışık demektir.

Aynı mantıkla toz ya da kirlilik yüklü bir şehir göğü de soluk ve beyazımsı görünür. Havadaki iri parçacıklar tüm renkleri eşit saçarak maviyi bastırır.

Mars’ta gün batımı neden mavi?

Şimdi bu bilgiyi başka bir gezegene taşıyalım. Mars’ın atmosferi çok incedir: Yüzeydeki basınç, Dünya’dakinin yalnızca yaklaşık %0,6’sı kadardır ve havanın büyük kısmı karbondioksittir. Bu kadar seyrek bir havada moleküllerin yaptığı Rayleigh saçılması zayıf kalır.

Mars’ta gökyüzünün rengini asıl belirleyen, havada asılı duran ince, demir bakımından zengin tozdur. Bu toz, gündüz gökyüzünü turuncumsu ya da kızılımsı bir renge boyar. Gün batımında ise tablo tersine döner: Güneş’in çevresinde mavimsi gri bir hale belirir.

NASA’nın Curiosity gezgini, 15 Nisan 2015’te Gale kraterinden bu mavi gün batımını renkli olarak fotoğrafladı. NASA’nın açıklamasına göre Mars tozundaki ince parçacıklar, mavi ışığın atmosferi daha uzun dalga boylu renklere göre daha verimli biçimde geçmesine izin veriyor. Bu yüzden mavi ışık Güneş’in bulunduğu yöne yakın kalırken sarı ve kırmızı ışık gökyüzünün daha geniş bir alanına yayılıyor. Etki, ışığın atmosferde en uzun yolu kat ettiği gün batımında en belirgin hâlini alıyor.

Kısacası Dünya’da mavi gökyüzü ve kızıl gün batımı, Mars’ta ise kızılımsı gökyüzü ve mavi gün batımı var. Aynı fizik, farklı malzemeyle bambaşka bir manzara çiziyor. Kızıl gezegenin geçmişini merak ediyorsan Mars’ta yaşam var mı? yazımıza göz atabilirsin.

Ay’da ise atmosfer olmadığı için saçılma da yoktur. Bu yüzden Ay yüzeyinde, Güneş tepedeyken bile gökyüzü simsiyahtır.

Bir sonraki gün batımında

Bir dahaki sefere gün batımını izlerken aslında üç şeyi birlikte izlediğini hatırla: Güneş ışığının atmosferde kat ettiği yolun uzunluğunu, havadaki parçacıkların boyutunu ve gözündeki koni hücrelerinin tepkisini. Işığın kendisini daha yakından tanımak istersen Işık hızını neden aşamayız? yazımız iyi bir sonraki durak. Akşam göğünde gezegenleri ve Ay’ı nerede bulacağını görmek için de Bu gece gökyüzünde ne var? sayfamıza bakabilirsin.

---

Özetle: Gökyüzü mavidir, çünkü havadaki küçük moleküller kısa dalga boylu ışığı uzun dalga boylu ışıktan çok daha fazla saçar; mor yerine mavi görmemizin nedeni ise Güneş ışığındaki mor azlığı ve gözümüzün yapısıdır. Gün batımında ışık çok daha uzun bir yol kat ettiği için mavi yolda saçılıp gider, bulutlar ise iri damlacıkları tüm renkleri eşit saçtığı için beyaz görünür.

Kaynaklar

• NASA Space Place — Why Is the Sky Blue?
• Met Office — Why the sky is blue and sunsets red
• Britannica — Rayleigh scattering
• Smith, G. S. (2005). “Human color vision and the unsaturated blue color of the daytime sky”. American Journal of Physics, 73(7), 590–597.
• NASA — Sunset in Mars’ Gale Crater (PIA19400)
• Hong Kong Observatory — Colours of Clouds