Gelelim bu yazının başlığı olan sorunun cevabına, yani her çocuğun mutlaka sorduğu “Gökyüzü neden mavidir?” sorusu.

***

Bu yazının konusu olmadığından ışığın özellikleri ve tarihçesine girmeyeceğim [1]. Ancak ışığın kabul edilmiş özelliklerinden biri olan “dalga” özelliğini anlatacağım. Görünür ışık aslında aynı bir su dalgası gibi dalgalardan oluşmaktadır [2]. Durgun bir denizde her iki elinizden aynı büyüklükte iki taşı suya attığınızı hayal edin. Taşların suya değdiği noktadan başlayarak yayılan dalgalar göreceksiniz. Eğer durgun bir suya taşları düşük bir hızla bıraktıysanız dalgalar düzgün oluşacak ve sanki sabit aralıklarla tepe-çukur-tepe-çukur şeklinde yayılıyor olacaktır. İki dalga tepesi arasındaki uzaklığa “dalga boyu” denir. Aşağıdaki görüntü dalga boyunu gösteriyor. İki tepe arası (veya iki çukur) mesafe o ışınımın dalga boyunu gösteriyor.


Dalganın özellikleri. Görüntü: Vikipedi

Dalga yayılımlarının bir özelliği de frekansı olmasıdır. Frekans dalga boyunun tersi olup, 1 saniyede belirli bir noktadan geçen 1 tam devri ifade eder. Kafanızda basitleştirmek için şöyle düşünün: Denizde ayakta dururken size belli aralıklarla dalgalar çarpıyor. Eğer dalgalar sık çarpıyorsa dalga boyu kısa (iki dalga arası mesafe) ve frekansı (sıklığı) yüksektir. Eğer dalgalar uzun aralıklarla çarpıyorsa dalga boyu uzun ve frekansı düşüktür. Frekans aynı zamanda o dalga yayılımının enerjisine işaret eder. Yüksek frekans yüksek enerji, düşük frekans ise düşük enerjili ışınım demektir. Yani, dalga yayılımının üç önemli özelliği (Dalga boyu, frekans ve enerji) birbiri ile bağıntılıdır. Yüksek dalga boyu düşük frekans ve düşük enerji demek iken, düşük dalga boyu ise yüksek frekans ve yüksek enerji demektir.

Peki bütün bunların renklerle ne ilgisi var? Şöyle, renk dediğimiz şey aslında gözümüzün o rengin dalgaboyu ve frekansını beynimize iletilmesi sonucunda çıkan bir optik imgedir. Işık dediğimiz olgu aslında bir elektromanyetik dalga yayılımıdır, sudaki dalgalar gibi aynen. Misal, çok güzel kırmızı bir arabaya bakarken aslında arabanın yüzeyinden yansıyan ışığın gözümüze çarptığındaki dalgaboyu beynimize “o arabanın rengi kırmızı ve maaşın asla öyle bir arabayı almaya yetmeyecek” diyor. Aşağıdaki tablo renkler ve karşılık gelen dalgaboylarını gösteriyor.


Elektromanyetik Spektrumu (Tayfı); ışınım tipi, dalgaboyu, frekans ve ışınım sıcaklığı ile birlikte gösteren diyagram. Görüntü: Vikipedi

Yukardaki görüntüde de görüldüğü gibi aslında gözümüz çok dar bir dalgaboyu aralığını algılayabilir. Nasıl köpekler bizlerden daha tiz sesleri duyabiliyor, biz duyamıyorsak aslında gözümüz de sadece belli renkleri algılayıp diğer dalgaboyundaki renk veya imgeleri algılayamamaktadır. Morötesi ve kızılötesi dalgaboyundaki ışınımları gözünüz algılayamaz. Misal, tabloda görüldüğü üzere morötesi ışığın dalga boyu görünür ışığın dalga boyundan daha kısadır, yani frekansı ve dolayısı ile enerjisi yüksektir. Yazın korumasız güneşe çıktığınızda vücudunuza çarpan morötesi ışığı (yani UV) gözünüz görmeyecek ancak o ışık size akşam dayanılmaz acılar olarak geri dönecektir. Halk arasında buna “ıstakoz gibi kızarmak” da denir.

Spektrumda dikkati bir noktaya daha çekmek isterim, ilginç bir noktaya. Psikolojik olarak kırmızı sıcak mavi ise soğuk bir renk olarak algılanır. Oysa fiziksel olarak bu tam terstir, mavi yüksek enerjili bir renk iken kırmızı düşük enerjili bir renktir.

Peki, dalgaların özelliklerini, dalgaların birbirleri ile olan ilişkilerini ve rengin ne olduğunu gördüğümüze gore artık gökyüzünün neden mavi olduğunu açıklayabiliriz.

Güneşten dünyamıza doğru yola çıkan ışık aslında görünür ışığın bütün dalgaboylarını içeren bir pakettir. Bu dalga atmosfere girdiğinde, aynı bir engelle karşılaşan dalgalar gibi, kırılmaya ve saçılmaya başlar. Bunu keşfeden bilimadamının onuruna bu saçılmaya Rayleigh saçılması [3] denir. Rayleigh saçılması saçılmanın dalgaboyunun dördüncü dereceden kuvveti ile ters orantılı olduğunu anlatır. Yani dalgaboyu ne kadar küçükse (mavi ve mor tonlar) saçılma o kadar şiddetli olacaktır. Atmosferimizdeki oksijen ve azot molekülleri ışığı saçarken kısa dalgaboylu ışığı daha fazla saçarlar. Yani aslında gökyüzümüz mor, mavi ve yeşil’in karışımı bir mavidedir öğlen saatlerinde. Işık dik olarak gelmekte, havada kısa dalgaboyları çokça saçılmaktadır. Akşama doğru, gurup vakti, ise göğümüz kırmızı görünür çünkü ışık gözümüze daha yatay pozisyondan gelmekte ve dolayısı ile öğlen vaktinden daha kalın bir atmosferden yani yoldan geçmektedir. En kısa dalga boyları saçıla saçıla geriye daha uzun dalga boyları yani kırmızı tonlar kalır. Bu yüzden günbatımı kırmızıya boyanır. Uçakta giderken gün batımına yakın gökyüzünde her tonu görmenizin sebebi de budur. Saint Exupery’nin ünlü kahramanı Küçük Prens’in gün batımlarını sevmesinin sebebi de bu olabilir. Her ne kadar kendisi günbatımlarını hüzünlü bulsa da aslında gün batımları bir renk şölenidir [4].


Dramatic Rayleigh scattering in the atmosphere after sunset, picture taken over the ocean, at 500m altitude. Photo: Wikipedia. Uçaktan çekilmiş bir günbatımı. Yatay düzleme doğru ışığın uzun dalgaboyunu, daha dikey düzlemde ışığın kısa dalgaboyunu görebiliyoruz.

Artık fiziksel açıklamayı biliyorsunuz. Gökyüzümüze beyaz olarak gelen ışık gündüz vakti kısa mesafede saçılırken gökyüzüne mavi rengini, akşam ise uzun mesafeden dolayı kırmızı rengini vermekte.

Peki çocuğunuza bunu, muhtemelen daha da basitleştirerek, aktardınız ve çocuğunuzun sıkıldığını fark ettiniz. Çok doğal, ben de o yaşlarda olsam ve bana “Rayleigh saçılması, azot, oksijen, uçak” diyen bir ebeveyn görseydim ben de sıkılırdım. Çocuğunuza gökyüzünün neden mavi olduğunu sadece fiziksel olarak açıklamak zorunda değilsiniz, sanatı kullanarak da anlatabilirsiniz. Hem de gene işin içine “dalga”yı sokarak. Bakın nasıl :

Dalgacı Mahmut
İşim gücüm budur benim
Gökyüzünü boyarım her sabah
Hepiniz uykudayken
Uyanır bakarsınız ki mavi
–Orhan Veli

Dipnotlar
[1] Işık hakkındaki en güzel kaynaklardan biri Tübitak yayınlarından çıkmış Hüseyin Gazi Topdemir’in “Işığın Öyküsü” adlı kitabıdır, meraklısına önerilir. İlk çağlardan günümüze ışığın ve optik biliminin öyküsünü anlatan muhteşem bir kaynek eser.
[2] Konunun meraklıları ve uzmanları hemen “fotoelektrik etki” ve De Broglie Dalga-parçacık ikilisi kavramlarını hatırlatacaktır. Yazının konusu olmadığından sadece ışığın dalga özelliğini aktarmaktayım. Elbette modern fiziğe göre ışık hem dalga, hem parçacıktır. Siz bunu bir de Schrödinger’in kedisine anlatmayı deneyin. Konu ile ilgili olarak aşağıda “Meraklısına ilave notlar” kısmını öneririm.
[3] Rayleigh saçılması için: http://en.wikipedia.org/wiki/Rayleigh_scattering ve Türkçe: http://web.itu.edu.tr/~kkocak/optik.htm
[4] “Günbatımını izlemeye bayılırım. Haydi, günbatımını izlemeye gidelim,” “Bir gün,” demiştin bana, “günbatımını tam kırk dört kez izledim!” Sonra da, “Biliyor musun,” diye ekledin. “İnsan günbatımını çok üzgün olduğunda seviyor.”. “O sırada çok üzgün müydün?” diye sorduydum. Hani şu kırk dört günbatımı izlediğinde?” Ama küçük prens hiçbir şey söylemedi bu soruma karşılık.

Meraklısına ilave notlar
Dalgaların en önemli özelliği ise birbiri ile etkileşime girebilmesidir. İki ayrı kaynaktan yayılan dalgaların birbiri ile karşılaştığını hayal edin. Deniz kıyısında iki elinizden bıraktığınız taşlar iki ayrı kaynaktan dalga yayılımı yapmıştı hatırlarsanız. Şimdi bu dalgaların birbiri ile karşılaştığını hayal edelim. Bazı tepe noktalar (dalganın denizin yüzeyinden yukarı çıktığı noktalar) çukur noktalar ile (dalganın deniz yüzeyinden aşağı indiği noktalar) karşılaşacak, veya bazı tepe noktalar gene tepeler ile karşılacak. Aşağıda benzer bir durumu gösteren görüntüyü inceleyebilirsiniz.


İki dalga kaynağından yayılan dalgaların girişim deseni.

Dalga ve çukur karşılaştımı birbirini söndürür, yani deniz yüzeyini düzleştirir. İki tepe birbirinin üstüne bindi mi daha büyük bir dalga tepesi oluşur ve iki çukurun bir araya gelmesinde de bu durumun tam tersi oluşur. Yukarıdaki görüntüde karanlık noktalar dalgaların birbirini söndürdüğü, yani dalga tepesi ile çukurunun karşılaştığı yerleri gösterirken aydınlık noktalar ise dalga tepelerinin üst üste bindiği alanları göstermektedir. Bu girişim deseni ışığın dalgalardan oluştuğunun en önemli kanıtı iken 1905 yılında Albert Einstein yazdığı bir makale ile ışığın aslında parçacık (yani küçük küçük toplar gibi düşünün) özelliği olduğunu kanıtlamıştır. Her iki özelliği (yani hem dalga hem parçacık) kanıtlayan bir sürü deney var olduğu için fizikçiler uzun süre ışığın dalga mı parçacık mı olduğunu anlayamamıştır. Daha sonra De Broglie basit bir anlatım ile ışığın aslında hem dalga hem parçacık olduğunu kanıtlamıştır. Buna De Broglie dalga/parçacık ikililiği denmektedir. Sezen Aksu ise “İkili Delilik” demektedir bu duruma.

***

Sonbaharda ağaçların yaprakları yeşilden sarıya, turuncuya, kırmızıya dönüşüyor. Peki havalar soğumaya başlayınca yapraklar neden renk değiştirir?

Doğa uzmanı Dave Sutherland, sonbahar renklerinin aslında yazın, yapraklar yeşilken hazırlandığını söylüyor. Bitkilerin güneş ışığını karbondioksit ve ana besin maddesi olan şekere çevirmesini sağlayan klorofilin renkli bir sırrı var. Sarı pigmentler yeşil rengin altında gizleniyor. Yaprağın gerçek renklerinin ortaya çıkması için klorofilin çözülmeye başlamasını bekliyorlar.

Sarı pigmentler, yaprakların, yeşil renkler solarken güneş enerjisinin son damlalarını ele geçirmesini sağlıyor. Kırmızı renkse antosiyanin adlı bir başka pigmentten geliyor. Antosiyanın çileğe kırmızı, böğürtleneyse mor rengi veren pigment. Yapraklar antosiyanin pigmentini sadece sonbaharda üretiyor. Uzmanlar onyıllar boyunca kurumakta olan yapraklardaki şekerin antosiyanin ürettiğini düşünüyordu. Ancak bir başka teoriye göre bitkiler antosiyanini kasten, güneşten korunmak için üretiyor. Yapraklardaki koyu renkler kurumakta olan yaprakların güneşten elde edilen son besinleri ağacın köküne ve dallarına göndermesini sağlıyor. Bill Hoch (Montana Üniversitesi), “Bu yapraklar çok çabuk dökülecek. Bu nedenle dökülmeden önce mümkün olabildiğince çok besin tutabilmek için fotosistemi korumaya çalışıyorlar,” diyor ve “Sarı pigmentlerin sadece sonbaharda değil, her zaman, yaprakları koruyan bir antioksidan olduğunu” söylüyor.

Bu metnin büyük bir bölümü Kerem Kaynar‘a aittir. Metnin giriş kısmı atlanıp, başlıktaki sorunun yanıtı aktarılmıştır.

Kaynakça
Kerem Kaynar, Gökyüzü neden mavidir?, 12 Aralık 2011.
VOATürkçe, Sonbaharda Yapraklar Neden Renk Değiştirir?, 12 Aralık 2011.

yerilimleri.com forumu