چرا ابرها سفید هستند؟


چرا ابرها سفید هستند؟

نوشتهاز سوی abdossamad2003 در پنجشنبه 1 آذر 1397 - 20:54

با سلام خدمت دوستان
ابرهای سفید که معمولا در آسمان هستند چرا سفید دیده می شوند و دوم اینکه داخل آنها قطرات آب هست یا کریستال یخ؟
با تشکر
 
سپـاس : 0

ارسـال : 3


نام نویسی: 97/9/1

ذکر نشده

Re: چرا ابرها سفید هستند؟

نوشتهاز سوی ADMIN در جمعه 2 آذر 1397 - 15:30

به قاعده‌ای در فیزیک بنام «پراکندگی می» ارتباط داره. قطر ذرات موجود در ابر به اندازه‌ای هست که پراکندگی نوری تقریبا یک‌نواخت در طول‌موج‌های مختلف نور خورشید ایجاد میکنند و همان رنگ سفید نور خورشید رو نمایان میکنند.

جنس انواع مختلف ابر، ممکنه از قطرات مایع آب یا از کریستال‌های یخ باشه.
موجیم که آسودگی ما عدم ماست

ما زنده به آنیم که آرام نگیریم ...
نماد کاربر
مدير کل

مدير کل
 
سپـاس : 1083

ارسـال : 2306


سن: 35 سال
نام نویسی: 84/2/24

مرد

Re: چرا ابرها سفید هستند؟

نوشتهاز سوی abdossamad2003 در پنجشنبه 8 آذر 1397 - 20:45

با تشکر از دوست عزیز
منظورم اینه که این پدیده در ابرهایی که کریستال یخ دارند اتفاق می افتد یا در ابرهایی که قطرات آب دارند.
 
سپـاس : 0

ارسـال : 3


نام نویسی: 97/9/1

ذکر نشده

Re: چرا ابرها سفید هستند؟

نوشتهاز سوی ADMIN در شنبه 10 آذر 1397 - 11:15

در همه انواع ابر ما پراکندگی می رو داریم. چون قطر ذرات چه مایع و چه جامد، از حد مشخصی بزرگتر هست.

ولی در ابرهایی که از کریستال‌های یخ تشکیل شدن، علاوه بر پدیده‌ی پراکندگی نور، ممکنه با پدیده‌ی شکست‌نور هم مواجه بشیم که نتیجه‌اش تولید ابرهای رنگین‌کمانی یا انواع مختلف هاله و سان‌داگ و ... هست.
موجیم که آسودگی ما عدم ماست

ما زنده به آنیم که آرام نگیریم ...
نماد کاربر
مدير کل

مدير کل
 
سپـاس : 1083

ارسـال : 2306


سن: 35 سال
نام نویسی: 84/2/24

مرد

Re: چرا ابرها سفید هستند؟

نوشتهاز سوی Cartouche در پنجشنبه 15 آذر 1397 - 05:07

در مورد این سوال و سوالات مشابه (مثلن رنگ آبی اسمان) نکات مهم، ولی عمدتن تخصصی هست که به نظرم لازم هست که گفته بشه.
معمولا در بسیاری از کتاب ها، مراجع و ... پاسخ به این سوال به صورتی که Admin عزیز دادند گفته میشه و این پاسخ، پاسخ غالب اکثریت جامعه علمی و یا شبه علمی به این سوال هست. پاسخ مشابهی هم در مورد سوال اینکه چرا اسمان آبی هست با استفاده از پراکندگی رایلی داده میشه. دلیل اینکه این پاسخ های نادرست محبوب هستند، سادگی اونها در عین اتکا به تفسیرات علمی نظیر مقالات رایلی در ۱۸۷۹ و فرمولاسیون می هست.
اما قضیه به این سادگی ها نیست که چنین استدلال های ساده ای بشه آورد و به نظر من این استدلال ها در عین حال که به وضوح کامل نیستند، حتی درست هم نیستند. (کامل نبودن اونها تقریبن مورد قبول اکثریت هست اما حتی بسیاری از افراد علمی هم در نادرست بودن اونها شک دارند)
با اشاره کردن به نکات زیر سعی میکنم نشان بدم که چرا این استدلال ها درست نیستند:

1) اگر استدلال در مورد پراکندگی می درست باشه، انتظار داریم که چنانچه ذراتی در ابعاد طول موج (و شفاف و بدون تلفات) داشته باشیم همیشه نور رو با رنگ سفید پراکنده کنند. اما به طور مثال چنانچه یک آرایه ای از کره هایی از جنس سیلیکون، تقریبا با قطر طول موج، داشته باشیم و اون رو با نور سفید بتابونیم، شاهد پدیده های مختلفی خواهیم بود که نه تنها به صورت ازمایش قابل مشاهدست، بلکه نکته ی جالبتر اینکه با همین فرمولاسیون Mie هم قابل محاسبه هست. به طور مثال رنگ هایی میتوانند فیلتر شوند، یا کامل بازتاب پیدا کنند (به طور مثال اثر Kerker در Kerker, M., Wang, D.-S. & Giles, C. L. Electromagnetic scattering by magnetic
spheres. J. Opt. Soc. Am. 73, 765–767 1983)
نکته ی مهمتر اینکه با اندکی تغییر در ضریب شکست این مواد، رفتار نور و رنگ نور به طرز شدیدی عوض میشه (اصولن فرمولاسیون می از رفتار های رزونانسی طبعیت میکنه که با گوگل کردن Mie resonance میتونید در مورد اون بیشتر بخونید).

2) اتفاقن در مورد توضیحی که Admin در مورد شکست نور که در اثر دیسپرشن ماده (material dispersion) رخ میده صحبت کردند، فرمولاسیون الکترومغناطیسی می برای ما geometrical dispersion (یا در برخی متون Modal dispersion (عمدتا برای موجبر ها ولی به نظر اینجانب قابل استفاده حتا برای ساختاری free-space نظیر آنچه مورد بحث ما هست)) رو پیشبینی میکنه که نه به علت خواص اپتیکی ماده (تغییر ضریب شکست در طول موج های مختلف) بلکه به علت خواص هندسی ساختار هست. در صورتی که ما مطلقن در پراکندگی از ابرها رنگین کمانی نمیبینیم! (مراجعه شود به فرمولاسیون می مثلا در کتابی نظیر الکترودینامیک جکسون یا موارد مشابه)

3) در مورد رنگ آبی آسمان که عمدتا به سایز ذرات نیتروژن و اکسیژن هوا و کوچک بودن اونها در مقایسه با طول موج اشاره میشه، آزمایش فرضی زیر رو در نظر بگیرید:
فرض کنید یک اتاقی دارید که در سقف اون لامپ های سفید (که عمدتن طیف مشابه خورشید ایجاد میکنن) قرار دادید. به یک باره در اتاق شیر کپسول های نیتروژن و اکسیژن رو باز میکنید و این گاز ها شروع به انتشار در فضای اتاق میکنند و طولی نمیکشه که تمام فضای اتاق رو پر میکنند. این گاز های منتشر شده از کپسول رو چه رنگی میبینید؟ آیا آبی می بینید و یا انتظار دارید که اونها رو سفید/خاکستری ببیند؟ اگر امکانش رو دارید یک کپسول رو زیر نور خورشید باز کنید تا گاز های انتشار یافته رو مشاهده کنید. من این کار رو کردم و به شما اطمینان میدهم که این گاز هارو آبی نخواهید دید! هرچند که مطابق نظریه ای که رایلی برای رنگ آبی اسمان ارائه داده باید آبی میدیدیم!
چند نکته در اینجا به نظر متفاوت از هوای آسمان میاد. اول غلظت این گازها در کپسول در مقایسه با هواست که فکر میکنم بسیار چگال تر و فشرده تر هستند (مطابق نظریه رایلی این موضوع نباید تاثیری در رنگ بزاره چون تنها سایز ذرات که یکسان هست مشخص کننده نوع پراکندگی هست). دوم فاصله چشم ما از درات در هوا که باعث میشه نور مسیر طولانی رو داخل این ذرات بگذره و نوعی multiple scattering بسیار طولانی رو ببینیم (و علاوه بر اون دیفرکشن که البته به نظر خودم نباید خیلی مهم باشه (؟)).

4) در مورد رنگ آبی آسمان، عده ای این شبهه رو ایجاد میکنند که اگر دلیل آبی بودن آسمان به علت فرمول رایلی هست، پس باید ما آسمان رو بنفش ببینیم نه آبی. چنانچه اندکی به انگلیسی گوگل کنید خواهید دید که پاسخ مدیان رایلی برای این سوال این هست که دلیل اینکه آبی میبینیم و نه بنفش رفتار چشم ما هست و طبف چشم ما به گونه ای هست که در نور آبی بهتر دیتکت میکند. این پاسخ در نگاه اول با توجه به طیف چشم درست به نظر میاد اما به نظر اینجانب بازهم درست نیست. چرا که چنانچه بجای چشم یک CMOS camera بگذارید و نور scatter شده از آسمان رو اندازه بگیرید بازهم اون رو آبی میبینید، هرچند که CMOS برای بنفش هم به خوبی کار میکند. پس باز هم دلیلی برای کارنکردن تئوری رایلی اسکترینگ!

5) نکته ی اخر اینکه همونطور که هوا از ذرات کوچک نیتروژن و اکسیژن تشکیل شده که ابعاد اونها چند نانومتر هست و در این ابعاد، سطح مقطع پراکندگی رایلی برای طول موج کوتاهتر آبی غالب هست، بقیه ی مواد هم از مولکول های دیگری تشکیل شدند که ابعاد اونها بازهم بسیار کوچکتر از طول موج هست. پس میتونیم استدلال مشابهی برای هرچیزی بکار ببریم. بر این اساس باید هرچیز بدون جذبی که اطراف ما بود رو آبی میدیدیم!


-------------------------------------------------------------
* در مورد نکات بالا، تنها قصد من نشان دادن این موضوع بود که پاسخ های ساده ای نظیر پراکندگی می یا رایلی به سوالات اینچنینی (هرچند هم در ادبیات آکادمیک، هم در ادبیات کتب درسی بسیار معتبر الکترومغناطیس و اپتیک و هم در ادبیات شبه علمی ویکی پدیا و سایت هایی نظیر هوپا غالب هست) نمیتونه کامل و حتا درست باشه. مشخصا برای پاسخ به این سوال نیاز هست که معادلات بسیار پیچیده ای نوشته بشه عوامل مختلفی در نظر گرفته بشه. به طور مثال اینشتین در مقاله ای بسیار عالی در 1911 سعی کرده توجیهی برای آبی بودن آسمان بیاره و علاوه بر فرمولاسیون رایلی، فلاکچویشن های ذرات رو هم بسیار موثر دونسته. هرچند که این مقاله تئوری درستی داره ولی کامل نیست و مقالات مختلفی در بازه ی 1910-1980 در این مورد نوشته شده. به طور مثال یک مورد خوب برای مطالعه میتونه این باشه: Hansen, J. E., and L. D. Travis (1974). Light Scattering in Planetary Atmospheres. Space Sci. Rev., 16, 527-610.
آنچه که مسلمه، چنانچه در نهایت به صورت میانگین نگاه شود (و به صورت ریاضی میانگین گیری شود)، نتیجه میشود که ضریب عبور ابرها تقریبا در فرکانس ثابت و برای هوا رفتاری بالاگذر با فرکانس دارد (تقریبا بالاگذر و نه دقیقن بالاگذر).

* طبعا هدف ازین پست، نشان دادن اینکه پاسخ Admin عزیز غلط هست نبوده و قطعا هیچگونه پاسخ دیگری هم انتظار نمی رفت و جایز نبود چرا که سطح مناسب نوشتار برای عموم مشخص هست. آنچه من رو مایل به نوشتن این موضوع کرد این بود که این موضوع در سرتاسر وب، از ویکی پدیا گرفته تا فروم های مختلف با پاسخی مشابه منتشر شده و تنها در برخی منابع آنلاین انگلیسی مختصری در مورد اینکه استدلال صرفا بر اساس رایلی یا Mie نمیتونه کامل باشه صحبت شده. پس من فکر کردم که ارائه این موضوع در وب فارسی مورد نیاز باشه (هرچند که نوشتجات انگلیسی هم بسیار ناقص هست و تنها مورد (4) اندکی بحث شده و مورد (3) هم به صورت تئوری مختصرن بحث شده ولی آزمایش فرضی جالبی که من ارائه دادم، هیچگاه به عنوان یک اشکال در نظر گرفته نشده و برای باقی موارد باید به مقالات مراجعه کرد که اونهم بسیار پراکنده هست و استنتاج این اشکلات از اونها بسیار سخت. به طور مثال در مورد مقاله Kerker هیچ ارجاع، کامنت و یا صحبتی در مورد پراکندگی از ابرها داده نشده و تمام بحث ها در مورد گرفتن رفتار مغناطیسی از این ساختارهای تمام دی الکتریک هست که کاملن بی ربط به نظر میرسه، هرچند که ساختار دقیقن مشابه هست و من در جوانی با محاسباتی بر مبنای همین مقالات، ولی نه چندان سرراست، رفتار عبور و پراکندگی نور ازین ساختار های آرایه ای بخار آب رو به عنوان مدلی از ابر محاسبه کردم.
)
دوای درد عاشق را کسی کو سهل پندارد

ز فکر آنان که در تدبیر درمانند در مانند
نماد کاربر
 
سپـاس : 1090

ارسـال : 1204


نام نویسی: 89/7/29

ذکر نشده

Re: چرا ابرها سفید هستند؟

نوشتهاز سوی ADMIN در پنجشنبه 15 آذر 1397 - 13:08

سپاس Cartouche عزیز بابت توضیحات جالبتون.

در مورد بند ۱: پراکندگی می رو به سادگی میتونید در اطراف خودتون ببینید. رنگ سیاه زغال و رنگ سفید خاکستر نمونه خیلی واضحی از این پدیده هست. ولی فراموش نکنید که پراکندگی می و ریلی صرفا پدیده‌های فیزیکی هستند. نه یک قانون بی چون و چرا و مطلق. ممکنه در کنار این پدیده، انواع دیگه‌ای از پدیده‌های اپتیکی هم رخ بده و نهایتا مشاهدات ما برآیندی از همه‌ی این اتفاقات هست. نمونه‌ی بارزش در توری‌های پراش که ما با پدیده‌های جدیدی روبرو میشیم.

در مورد بند ۲:‌ ما پدیده‌ی تشکیل رنگین‌کمان در ابر رو داریم. عبارت Cloud iridescence رو سرچ کنید.

در مورد بند ۳: قطعا شما امکان مشاهده پراکندگی ریلی در یک اتاق پر از نیتروژن رو ندارید. چون شانس برخورد یک فوتون به مولکول نیتروژن در فاصله‌ی ۲ .. ۳ متری میان لامپ سفید و چشم شما، بسیار بسیار ناچیز هست. ولی در اتمسفر، یک فوتون حدود ۳۰ کیلومتر مسافت رو طی میکنه و شانس اینکه بخش‌هایی از پرتوهای آبی‌رنگ پراکنده بشن بسیار بیشتر میشه.

در مورد بند ۴: پراکندگی ریلی به شکل آماری رخ میده. روی یک نمودار نرمال. ممکنه قله‌ی پراکندگی در محدوده‌ای بین بنفش و آبی باشه. ولی نهایتا گستره‌ی پراکندگی از زرد تا سبز تا آبی و بنفش ادامه داره و در سمت مقابل هم وارد ماورا بنفش میشه. نهایتا چشم انسان یا سی‌ماوس و سی‌سی‌دی، مجموعه‌ای از فوتون‌ها رو دریافت میکنه که در این گستره هستند و رنگی که ظاهر میشه، یک میانگین آماری از شمارگان این فوتون‌ها بر اساس هر طول موج هست. از اونجا که فوتون‌های ماورابنفش بی‌اثر هستند، طبیعی هست که این میانگین به سمت رنگ آبی متمایل‌تر باشه.

در مورد بند ۵: چرا به این شکل نتیجه‌گیری میکنید؟ پراکندگی ریلی حاصل عبور فوتون‌های مرئی با طول موج بزرگتر و پراکنده شدن فوتون‌ها با طول موج کمتر هست. پس اگر میخواید چنین آزمایشی ترتیب بدید، باید راه رو برای عبور فوتون‌های زرد و قرمز باز بزارید. برای مثال در یک جسم کدر یا جامد یا ... شما با پدیده‌های متفاوتی مواجه میشید و شرایط تشکیل پراکندگی ریلی رو از دست میدید.
موجیم که آسودگی ما عدم ماست

ما زنده به آنیم که آرام نگیریم ...
نماد کاربر
مدير کل

مدير کل
 
سپـاس : 1083

ارسـال : 2306


سن: 35 سال
نام نویسی: 84/2/24

مرد

Re: چرا ابرها سفید هستند؟

نوشتهاز سوی Cartouche در پنجشنبه 15 آذر 1397 - 19:47

ADMIN نوشته است:در مورد بند ۱: پراکندگی می رو به سادگی میتونید در اطراف خودتون ببینید. رنگ سیاه زغال و رنگ سفید خاکستر نمونه خیلی واضحی از این پدیده هست. ولی فراموش نکنید که پراکندگی می و ریلی صرفا پدیده‌های فیزیکی هستند. نه یک قانون بی چون و چرا و مطلق. ممکنه در کنار این پدیده، انواع دیگه‌ای از پدیده‌های اپتیکی هم رخ بده و نهایتا مشاهدات ما برآیندی از همه‌ی این اتفاقات هست. نمونه‌ی بارزش در توری‌های پراش که ما با پدیده‌های جدیدی روبرو میشیم.

پراکندگی می مطلقا ارتباطی با رنگ سیاه زغال نداره. این قضیه مربوط به جذب نور هست. ما در پراکندگی جذبی نداریم. موضوعاتی که من از اونها صحبت کردم مطلقا ازین دست نیستند. من عرض کردم کاملن شفاف و بدون جذب!
ADMIN نوشته است:در مورد بند ۲:‌ ما پدیده‌ی تشکیل رنگین‌کمان در ابر رو داریم. عبارت Cloud iridescence رو سرچ کنید.

این قضیه مربوط به کریستال هاست که خودتون فرموید. چیزی که من عرض کردم بحث پاشندگی هندسی هست که شاهدش نیستیم. فرمولاسیون می برای ما پاشندگی هندسی رو پیش بینی میکنه ولی ما این موضوع رو در ابرها نمیبینیم (پاشندگی ناشی از کریستال ها هیچ ارتباطی نداره)
ADMIN نوشته است:در مورد بند ۳: قطعا شما امکان مشاهده پراکندگی ریلی در یک اتاق پر از نیتروژن رو ندارید. چون شانس برخورد یک فوتون به مولکول نیتروژن در فاصله‌ی ۲ .. ۳ متری میان لامپ سفید و چشم شما، بسیار بسیار ناچیز هست. ولی در اتمسفر، یک فوتون حدود ۳۰ کیلومتر مسافت رو طی میکنه و شانس اینکه بخش‌هایی از پرتوهای آبی‌رنگ پراکنده بشن بسیار بیشتر میشه.

نمیدونم چطور چنین چیزی رو مطرح میکنید. تمام فضای اتاق پر از مولکول های نیتروژن هست. چطور شانس برخورد فوتون ها با این ذرات کم هست؟ اصلن وقتی ما این ذرات رو میبینیم (به رنگ سفید یا خاکستری) یعنی داره scattering رخ میده. اگر قرار بود برخوردی رخ نده، اصلا نباید چیزی میدیدیم.
ADMIN نوشته است:در مورد بند ۴: پراکندگی ریلی به شکل آماری رخ میده. روی یک نمودار نرمال. ممکنه قله‌ی پراکندگی در محدوده‌ای بین بنفش و آبی باشه

نخیر طبق تئوری رایلی باید در بنفش باشه نه در محدوده ای بین آبی و بنفش
ADMIN نوشته است:ز اونجا که فوتون‌های ماورابنفش بی‌اثر هستند، طبیعی هست که این میانگین به سمت رنگ آبی متمایل‌تر باشه.

بنده صحبتی از ماورا بنفش نکردم. اصلن نمیدونم چرا صحبت از ماورا بنفش میکنید! لطفن توضیح من رو دوباره بخونید. من عرض کردم که سطح مقطع پراکندگی برای بنفش بیشتر هست نسبت به آبی. پس ما باید آسمان رو بنفش ببینیم نه آبی! موضوعی که در اینجا بحث میشه این هست که چشم ما آبی رو بهتر دیتکت میکنه پس بنفش نمیبینیم و آبی میبینیم. من عرض کردم بجای چشم یک دوربین بذارید که بنفش رو هم به خوبی آبی دریافت کنه، پس باید آسمان رو در داخل دوربین (که به کامپیوتر وصل هست طبعن دوباره با چشم نمیخونیم) بنفش ببینیم و نه آبی! ولی آبی میبینیم، پس نتیجه میگیریم که تئوری رایلی نمیتونه درست باشه و دلایل دیگری وجود داره.
دوای درد عاشق را کسی کو سهل پندارد

ز فکر آنان که در تدبیر درمانند در مانند
نماد کاربر
 
سپـاس : 1090

ارسـال : 1204


نام نویسی: 89/7/29

ذکر نشده

Re: چرا ابرها سفید هستند؟

نوشتهاز سوی ADMIN در شنبه 17 آذر 1397 - 09:34

بند یک: من هم نگفتم رنگ سیاه زغال ارتباطی به پراکندگی می داره. ولی رنگ سفید خاکستر بخاطر این پدیده هست.

بند دو: در این مورد هم من صحبتی از پاشندگی نکردم. فرمودید که ابر رنگین‌کمانی نداریم. صرفا گفتم که چنین پدیده‌ای وجود داره.

بند سه: من تا الان تصویری از اتاق پرفشار گاز نیتروژن ندیدم که گازها به شکل بخار و مرئی باشند. اگر چنین تصویری دیدید، به احتمال زیاد گاز نیتروژنی در کار نیست و با قطرات مابع نیتروژن سروکار داریم که باز هم بحث پراکندگی رو عوض میکنه.

بند چهارم: به یک عکس از رنگین‌کمان در آسمان نگاه کنید. انتهای رنگین‌کمان به چه رنگی ختم میشه؟ در پراکندگی رایلی، نقطه اوج پراکندگی کجا قرار میگیره؟

بند ششم: فرض کنید بعد از ورود پرتو سفید رنگ نور خورشید به اتمسفر، در طول یک مسیر مشخص این توزیع عددی از فوتون بخاطر پراکندگی رایلی از مسیر خارج میشن:

۱۰ فوتون بنفش
۷ فوتون آبی
۴ فوتون سبز
۲ فوتون زرد
۱ فوتون نارنجی

به نظر شما بعد از ورود این توزیع فوتون به شبکیه چشم یا یک سلول سی‌ماوس یا سی‌سی‌دی، انرژی میانگین فوتون حاصله، روی چه طول‌موجی از نور مرئی قرار میگیره؟ (بنفش؟)
موجیم که آسودگی ما عدم ماست

ما زنده به آنیم که آرام نگیریم ...
نماد کاربر
مدير کل

مدير کل
 
سپـاس : 1083

ارسـال : 2306


سن: 35 سال
نام نویسی: 84/2/24

مرد


بازگشت به هواشناسی ، فیزیک جو و ژئوفیزیک

چه کسی هم اکنون اینجاست ؟

کاربرانی که در این تالار هستند: بدون کاربران عضو شده و 2 مهمان