ท้องฟ้าเป็นสีฟ้าเพราะอากาศกระจายแสงสีน้ำเงิน ไม่ใช่เพราะสะท้อนสีทะเล

เงยหน้ามองฟ้าวันที่อากาศดี คำถามที่เด็กทุกคนเคยถามก็ลอยมาเหมือนเดิม ทำไมท้องฟ้าถึงเป็นสีฟ้า คำตอบยอดฮิตที่ได้ยินกันบ่อยคือเพราะฟ้าสะท้อนสีทะเล แต่คำตอบนั้นกลับด้านกัน ความจริงคือทะเลดูสีฟ้าส่วนหนึ่งก็เพราะสะท้อนสีฟ้า ส่วนสีฟ้าบนท้องฟ้ามีที่มาจากแสงแดดกับอากาศที่เราหายใจอยู่นี่เอง

แสงแดดสีขาวแตกตัวได้ยังไง

แสงแดดที่ตาเราเห็นเป็นสีขาวนั้นความจริงคือแสงหลายสีผสมกัน ตั้งแต่ม่วง น้ำเงิน เขียว เหลือง ส้ม ไปจนถึงแดง เมื่อแสงชุดนี้พุ่งเข้ามาในบรรยากาศโลก มันจะเจอกับโมเลกุลของก๊าซไนโตรเจนและออกซิเจนที่มีขนาดเล็กกว่าความยาวคลื่นของแสงมาก โมเลกุลเล็กๆ เหล่านี้ไม่ได้ดูดกลืนแสงแล้วปล่อยสีออกมาเหมือนฟิลเตอร์ แต่ทำให้แสงกระเด็นเปลี่ยนทิศทางไปมา ปรากฏการณ์นี้มีชื่อว่า Rayleigh scattering ตามชื่อของลอร์ดเรย์ลี นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษที่คำนวณหลักการนี้ไว้ตั้งแต่ปี 1871 หลักการสำคัญคือแสงความยาวคลื่นสั้นจะกระจายตัวแรงกว่าแสงความยาวคลื่นยาว แสงสีน้ำเงินที่มีความยาวคลื่นสั้นกว่าแสงสีแดงมากจึงกระจายไปทั่วท้องฟ้าได้มากกว่า ในขณะที่แสงสีแดงส่วนใหญ่วิ่งตรงผ่านไป เมื่อเรามองไปทางไหนบนฟ้า เราจึงเห็นแสงสีน้ำเงินที่กระจายมาถึงตาเราจากทุกทิศทาง

ทำไมไม่เป็นสีม่วง

ถ้าดูจากหลักการอย่างเดียว แสงสีม่วงมีความยาวคลื่นสั้นกว่าสีน้ำเงินเสียอีก จึงควรกระจายตัวแรงที่สุดและทำให้ท้องฟ้าเป็นสีม่วง แต่ท้องฟ้ากลับเป็นสีฟ้า เหตุผลมีสองข้อ ข้อแรกคือดวงอาทิตย์ปล่อยแสงสีม่วงออกมาน้อยกว่าแสงสีน้ำเงิน ข้อที่สองคือตาเราตอบสนองต่อสีน้ำเงินได้ดีกว่าสีม่วงมาก และแสงสีม่วงบางส่วนยังถูกชั้นโอโซนตอนบนดูดกลืนไปก่อนจะมาถึงตาเรา ผลรวมคือสีที่ตาเรารับรู้ได้ชัดที่สุดจึงเป็นสีฟ้า ไม่ใช่สีม่วง

แล้วทำไมพระอาทิตย์ตกถึงสีแดง

กลไกเดียวกันนี้อธิบายพระอาทิตย์ตกได้ด้วย ตอนเที่ยงแสงแดดเดินทางผ่านบรรยากาศเป็นระยะสั้นๆ ตรงลงมาหาเรา แต่ตอนพระอาทิตย์ใกล้ตก แสงต้องเดินทางเฉียงผ่านบรรยากาศเป็นระยะทางยาวกว่ามาก ระหว่างทางที่ยาวขึ้นนี้ แสงสีน้ำเงินและสีม่วงจะกระจายหายไปเกือบหมดก่อนมาถึงตาเรา เหลือเพียงแสงสีแดงและสีส้มที่ความยาวคลื่นยาวกว่าเดินทางทะลุมาถึงได้ วันไหนที่มีฝุ่นหรือควันในอากาศมาก แสงสีฟ้าจะยิ่งกระจายหายไปมาก พระอาทิตย์ตกวันนั้นจึงแดงเข้มเป็นพิเศษ นี่คือเหตุผลที่ท้องฟ้ายามเย็นสวยที่สุดในวันที่อากาศมีฝุ่น ไม่ใช่วันที่อากาศใสที่สุด

ท้องฟ้าไม่ได้ฟ้าเสมอไป

ต้องพูดให้ตรงว่าสีฟ้าที่เราเห็นไม่ใช่สีของอากาศ อากาศไม่มีสีของตัวเอง สีที่เห็นเป็นเพียงผลของการกระเจิงของแสง วันที่เมฆมากท้องฟ้าจะขาวหรือเทา เพราะหยดน้ำในเมฆมีขนาดใหญ่กว่าโมเลกุลอากาศมาก จึงกระจายแสงทุกสีเท่าๆ กันจนกลายเป็นสีขาว และบนดาวอังคารที่บรรยากาศบางและเต็มไปด้วยฝุ่น ท้องฟ้ากลางวันจะออกสีน้ำตาลอ่อน ไม่ใช่สีฟ้า เพราะฝุ่นกระจายแสงต่างจากโมเลกุลก๊าซบนโลก สรุปคือท้องฟ้าสีฟ้าไม่ใช่กฎสากลของทุกดาว แต่เป็นลายเซ็นเฉพาะของบรรยากาศโลกที่มีไนโตรเจนและออกซิเจนหนาแน่นพอจะกระจายแสงสีน้ำเงินให้เราเห็น

ครั้งต่อไปที่เงยหน้ามองฟ้าแล้วเห็นสีฟ้าสดใส ลองนึกภาพแสงแดดสีขาวกำลังแตกตัวและกระเด็นไปมาบนโมเลกุลอากาศนับล้านล้านตัวเหนือหัวเรา สีฟ้าที่เห็นไม่ใช่สีที่ทาไว้บนฟ้า แต่คือแสงสีน้ำเงินจากดวงอาทิตย์ที่อากาศโลกหว่านกระจายมาให้เราดูฟรีๆ ทุกวันที่มีแดด