تابش پراکنده آسمان

در جو زمین، میزان پراکندگی غالب نور آبی با نور قرمز یا سبز مقایسه می شود. پراکندگی و جذب، عوامل اصلی کاهش تابش نور خورشید توسط جو هستند. در طول روز روشن، به دلیل پراکنش ریلی، آسمان آبی است، در حالی که در حوالی طلوع یا غروب خورشید و به ویژه در هنگام گرگ و میش، جذب تابش ازون به حفظ رنگ آبی در آسمان عصر کمک می کند. در طلوع یا غروب خورشید، پرتوهای خورشیدی به صورت مماس، ابرها را با رنگ‌های نارنجی تا قرمز روشن می‌کنند.

طیف مرئی، از حدود 380 تا 740 نانومتر (nm)، باند جذب آب اتمسفر و خطوط فراون هوفر خورشیدی را نشان می‌دهد. طیف آسمان آبی در طول موج های 450-485 نانومتر، با طول موج های رنگ آبی ظاهر می شود.

تابش پراکنده آسمان تابش خورشیدی است که پس از پراکنده شدن پرتو مستقیم خورشید توسط مولکول ها یا ذرات موجود در جو به سطح زمین می رسد. به آن درخشش آسمان نیز می گویند که فرآیند تعیین کننده برای تغییر رنگ های آسمان است. تقریباً 23 درصد از تابش نور خورشید، از پرتو خورشیدی به دلیل پراکندگی در جو حذف می شود. از این مقدار (تابش فرودی)، در نهایت حدود دو سوم به عنوان تابش انتشاری فوتون به زمین می رسد.

فرآیندهای پراکندگی تشعشعی غالب در جو عبارتند از پراکندگی ریلی و پراکندگی مای که الاستیک هستند، به این معنی که یک فوتون نور می تواند بدون جذب و بدون تغییر طول موج، از مسیر خود منحرف شود.

زیر یک آسمان ابری، نور مستقیم خورشید وجود ندارد و تمام نورها از تابش پراکنده آسمان ناشی می‌شوند.

بر اساس تجزیه و تحلیل پیامدهای فوران آتشفشان کوه پیناتوبوی فیلیپین (در ژوئن 1991) و همین طور مطالعات دیگر، نور پراکنده، به دلیل ساختار و رفتار ذاتی خود، می‌تواند برگ‌های زیر سایه بدنه گیاهان را روشن کند و فتوسنتز کل گیاه را کارآمدتر کند. در غیر این صورت، این در تضاد کامل با تأثیر آسمان صاف با نور مستقیم خورشید است که بر روی برگ‌های زیرین سایه می‌اندازد و در نتیجه فتوسنتز گیاهان را به لایه بالایی محدود می‌کند.

رنگ

آسمان روشن در طول روز، هنگامی که به سمت سرسو قرار می گیرد.

اتمسفر زمین نور را با طول موج کوتاه، موثرتر از طول موج های بلندتر پراکنده می کند. از آنجایی که در طول موج‌های کوتاه‌تر، نور آبی و نورهای با طول موج بلندتر، قرمز یا سبز هستند، بنابراین رنگ آبی بیشتر از رنگ های دیگر، پراکنده می‌شود. از این رو، نتیجه آن این است که هنگام نگاه کردن به آسمان، خارج از نور مستقیم خورشید، چشم انسان آسمان را آبی درک می کند. رنگی که از آسمان درک می شود، شبیه به رنگ آبی تک رنگ (در طول موج 474 تا 476 نانومتر) است که با نور سفید مخلوط شده باشد که یک نور آبی غیر اشباع است. این توضیح رنگ آبی آسمان توسط ریلی (Rayleigh) در سال 1871، یک مثال معروف از کاربرد تحلیل ابعادی برای حل مسائل فیزیک است.

پراکندگی و جذب عوامل اصلی کاهش تابش نور خورشید توسط جو هستند. پراکندگی تابعی از نسبت قطر ذرات معلق در اتمسفر، به طول موج تابشی است. وقتی این نسبت کمتر از یک دهم باشد، پراکندگی رایلی رخ می دهد. در این مورد، ضریب پراکندگی به طور عکس با توان چهارم طول موج تغییر می‌کند. در نسبت‌های بزرگ‌تر، پراکندگی به شکل پیچیده‌تری تغییر می‌کند، همانطور که برای ذرات کروی توسط تئوری مای توضیح داده شد. قوانین نورشناسی هندسی در نسبت های بالاتر عمل می‌کنند.

هر روز در هر مکانی از جهان که طلوع یا غروب خورشید را تجربه می کند، بیشتر پرتوهای نور مرئی خورشید، تقریباً مماس به سطح زمین می رسد. در این مواقع، مسیر نور خورشید از طریق جو مسیر طولانی تری را طی می کند به طوری که بخش بیشتری از نور آبی یا سبز پراکنده می شود. به همین دلیل است که هنگام تماشای غروب یا طلوع خورشید، به دلیل این پدیده، پرتوهای خورشید و ابرهایی را که روشن می‌کند، به رنگ‌هایی که نارنجی تا قرمز در آن بیشتر است، دیده می شود.

هنگام قرار گرفتن خورشید در سرسو و در روز روشن، آسمان به دلیل پراکندگی رایلی آبی رنگ است که علاوه بر آن، تاثیر گازهای دو اتمی مانند نیتروژن و اکسیژن هم موثر است. نزدیک غروب آفتاب و به ویژه در هنگام گرگ و میش، جذب توسط ازون به طور قابل توجهی به حفظ رنگ آبی در آسمان عصر کمک می کند.

زیر آسمان ابری

اساساً هیچ نور خورشیدی در زیر آسمان ابری وجود ندارد، بنابراین تمام نور در ان مواقع، ناشی از تابش پراکنده آسمان است. شار نور خیلی وابسته به طول موج نیست زیرا قطرات آب موجود در ابرها، بزرگتر از طول موج نور هستند و همه رنگ ها را تقریباً به طور مساوی پراکنده می کنند. در این مواقع، نور مانند شیشه مات از میان ابرهای شفاف عبور می کند. شدت دامنه از ¹⁄₆ نور مستقیم خورشید برای ابرهای نسبتاً نازک، تا ¹⁄₁₀₀₀ نور مستقیم خورشید در زیر ضخیم ترین ابرها در مواقع طوفان متفاوت است.

بخشیی از کل تابش

یکی از معادلات برای کل تابش خورشیدی به شرح زیر است:

$H_{t}=H_{b}R_{b}+H_{d}R_{d}+(H_{b}+H_{d})R_{r}$

که در آن _Hb درخشش تابش پرتو، _Rb ضریب شیب برای تابش پرتو، _Hd تابش پراکنده، _Rd ضریب شیب برای تابش پراکنده و _Rr ضریب شیب برای تابش بازتابیده است.

_Rb به صورت زیر محاسبه می شود:

$R_{b}={\frac {\sin(\delta )\sin(\phi -\beta )+\cos(\delta )\cos(h)\cos(\phi -\beta )}{\sin(\delta )\sin(\phi )+\cos(\delta )\cos(h)\cos(\phi )}}$

که در آن δ موقعیت خورشید، Φ عرض جغرافیایی، β زاویه افقی و h زاویه ساعت خورشیدی است.

R _d به صورت زیر محاسبه می شود:

$R_{d}={\frac {1+\cos(\beta )}{2}}$

و R _r به صورت زیر محاسبه می شود:

$R_{r}={\frac {\rho (1-\cos(\beta ))}{2}}$

که ρ بازتابی مربوط به سطح است.

کشاورزی و فوران کوه پیناتوبو

یک عکس شاتل فضایی (در ماموریت STS-43 ) از فراز آمریکای جنوبی که در 8 آگوست 1991 گرفته شده است. این عکس لایه دوگانه ابرهای آئروسل پیناتوبو (رگه های تاریک) را در بالای نوک ابرهای پایینی به تصویر می کشد.

فوران آتشفشان فیلیپین (کوه پیناتوبو) در ژوئن 1991 تقریباً ۱۰ کیلومتر مکعب (۲٫۴ مایل مکعب) مواد مذاب فوران کرد و 17000000 تن متریک دی اکسید گوگرد (SO₂) به هوا وارد کرد که ده برابر آتش سوزی کویت در سال 1991 بود. این منجر به کاهش میانگین دمای جهانی حدود ۰٫۵ تغییر درجه سلسیوس (۰٫۹ تغییر درجه فارنهایت) شد . از آنجایی که خاکستر آتشفشانی به سرعت از اتمسفر خارج می شود، اثرات منفی کشاورزی ناشی از اثرات فوران، تا حد زیادی کوتاه مدن بود و در ناحیه نسبتاً کوچکی در نزدیکی نقطه فوران، آن هم ناشی از پوشش ضخیم خاکستر بود. با این حال، در سطح جهانی، علیرغم کاهش چند ماهه 5 درصدی تابش کلی خورشید و کاهش 30 درصدی نور مستقیم خورشید، هیچ تأثیر منفی بر کشاورزی جهانی نداشت. ضمن این که به طور شگفت انگیزی، افزایش 3-4 ساله در بهره وری جهانی کشاورزی و رشد جنگلداری، به استثنای مناطق جنگلی شمالی مشاهده شد.

در زیر نور مستقیم خورشید، کم و بیش سایه‌های تیره‌ای که فتوسنتز را مختل می‌کنند، بر برگ‌های زیرین دیده می شود و در داخل توده گیاهی، نور مستقیم خورشید بسیار کمی می تواند وارد شود.

روش کشف این موضوع به این شکل بود که در ابتدا، یک افت مرموز در سرعت پر شدن دی اکسید کربن (CO ₂ ) در جو مشاهده شد که در نموداری که به عنوان "منحنی کیلینگ" (Keeling Curve) شناخته می شود، ترسیم شده است. این امر باعث شد بسیاری از دانشمندان تصور کنند که این کاهش به دلیل کاهش دمای زمین و به تبع آن کاهش سرعت تنفس گیاه و خاک است که نشان دهنده تأثیر مخرب لایه مه آتشفشانی بر کشاورزی در سطح است. با این حال، پس از بررسی، کاهش سرعت اضافه شدن دی اکسید کربن به اتمسفر با این فرضیه که نرخ تنفس گیاه کاهش یافته، مطابقت نداشت. در عوض، این ناهنجاری سودمند با افزایش بی‌سابقه رشد و تولید خالص حیات گیاهی مرتبط بود که منجر به افزایش اثر کربن بر فتوسنتز در سطح جهانی شد. مکانیسمی که با آن افزایش رشد گیاه امکان پذیر شد، این بود که کاهش 30 درصدی نور مستقیم خورشید را می توان به صورت افزایش یا "تقویت" آن در میزان نور بازتاب و پخش شده خورشید نیز بیان کرد.

اثر نور تابشی پراکنده

نواحی پایینی درختان انبوه به خوبی روشن شده اند که به دلیل ابرهایی است که باعث ایجاد پراکنده شدن و ایجاد نور ملایم خورشید می شود و در نهایت امکان فتوسنتز برگ ها را در زیر سایه فراهم می کند.

نورگیر پراکنده، به دلیل ماهیت ذاتی خود، می تواند برگ های زیر تاج گیاهان را روشن کند و اجازه می دهد فتوسنتز کل گیاه کارآمدتر از آنچه غیر این بودکرده و همچنین باعث افزایش سرمایش تبخیری، از سطوح پوشش گیاهی گردد. در تضاد کامل با این وضعیت، برای آسمان کاملاً صاف و نور مستقیم خورشید که از آن حاصل می‌شود، سایه‌ها بر روی برگ‌های زیرزمینی ریخته می‌شوند و فتوسنتز گیاهان را در لایه تاج بالایی آن ها بیشتر می‌کند. این افزایش بازده کشاورزی جهانی از لایه مه آتشفشانی، همچنین به طور طبیعی به عنوان نتیجه سایر ذرات معلق در هوا است که لزوما از آتشفشان ها منتشر نمی شود که نمونه آن آلودگی هوا با دود نسبتا غلیظ است و طی آن، همان ساز و کار پدید خواهد آمد.