আকাশ কেন নীল আর সূর্যাস্ত কেন লাল

পরিষ্কার বিকেলে ওপরে তাকান

সূর্যের আলো সাদা, আর যে বাতাসের ভেতর দিয়ে সে আসে তা স্বচ্ছ। তাহলে নীল আকাশ আসে কোথা থেকে, আর একই সূর্য ডোবার আধঘণ্টা আগে কমলা দেখায় কেন? দুটো রঙই একটি প্রভাব থেকে আসে। বাতাসের অণু সূর্যের আলোর সামান্য অংশকে পথ থেকে সরিয়ে দেয়, আর এ কাজ তারা লম্বা তরঙ্গদৈর্ঘ্যের চেয়ে ছোট তরঙ্গদৈর্ঘ্যের সঙ্গে অনেক বেশি করে।

ওপরের মডেলটি একটি মাঠ, যার মাথার ওপরের আকাশ এই প্রভাব থেকে পিক্সেল ধরে ধরে হিসাব করে আঁকা। আপনি সূর্যকে টেনে দিগন্তে নামাতে পারেন, কুয়াশা ঘন করতে পারেন, স্ট্র্যাটোস্ফিয়ারে আগ্নেয়গিরির স্তর বসাতে পারেন, চোখকে যাত্রীবাহী বিমানের উড়ানের উচ্চতায় বা কক্ষপথে তুলতে পারেন, আর গ্রহ বদলে মঙ্গল, চাঁদ, ইউরেনাস বা নেপচুন করতে পারেন। বাঁ দিকের প্যানেল প্রতিটি ছবির পেছনের সংখ্যা দেখায়, আর নিচের বার এক ছোঁয়ায় 23টি বাস্তব অবস্থা সাজিয়ে দেয়।

বাতাস লালের চেয়ে নীল বেশি ছড়ায় কেন

নাইট্রোজেন বা অক্সিজেনের একটি অণু দৃশ্যমান আলোর তরঙ্গদৈর্ঘ্যের চেয়ে প্রায় হাজার গুণ ছোট। আলোর তরঙ্গ পার হওয়ার সময় অণুর ইলেকট্রনগুলোকে সামনে-পেছনে ঠেলে, আর কাঁপতে থাকা ইলেকট্রনগুলো প্রায় সব দিকে নিজেদের আলো পাঠায়। এটাই র‍্যালে বিক্ষেপণ, আর এর তীব্রতা তরঙ্গদৈর্ঘ্যের চতুর্থ ঘাতের ব্যস্তানুপাতিক।

এই চতুর্থ ঘাতই পার্থক্যটাকে এত বড় করে। 440 nm নীল আলোর তরঙ্গদৈর্ঘ্য 680 nm লাল আলোর 0.65 গুণ, আর 0.65⁴ প্রায় 0.18, তাই নীল মোটামুটি 5.7 গুণ বেশি ছড়ায়। বাতাসের মাপা প্রতিসরাঙ্ক ধরলে, যা নিজেও নীলের জন্য একটু বেশি, মডেল পায় 5.9। পুরো দৃশ্যমান পরিসরে, 400 থেকে 700 nm পর্যন্ত, অনুপাতটি প্রায় 10।

সংখ্যায় বললে, পরিষ্কার বাতাসের একটি খাড়া স্তম্ভ তাতে ঢোকা 450 nm আলোর প্রায় 19% ছড়িয়ে দেয়, আর 650 nm আলোর 5%-এরও কম। হারিয়ে যাওয়া এই নীল উধাও হয় না। তা পুরো আকাশের গম্বুজে ছড়িয়ে পড়ে, আর সূর্য থেকে চোখ সরিয়ে তাকালে আপনি সেই আলোই দেখেন।

চোখের সংবেদনশীলতা চালু করুন, প্যানেলের চার্ট একসঙ্গে দুটি বক্ররেখা দেখাবে: আপনার দৃষ্টির কেন্দ্রে পৌঁছানো আলোর বর্ণালি (বেগুনি প্রান্তের দিকে উঠছে) আর চোখের নিজের সংবেদনশীলতা (সবুজকে কেন্দ্র করে একটি কুঁজ)।

আকাশ বেগুনি নয়, নীল কেন

ছোট তরঙ্গদৈর্ঘ্য যদি সবচেয়ে বেশি ছড়ায়, আকাশের তো বেগুনি হওয়ার কথা। মডেলে মাথার ওপরের আকাশের বর্ণালি সত্যিই দৃশ্যমান পরিসরের বেগুনি প্রান্তে, 380 nm-এর কাছে, সর্বোচ্চ। তিনটি কারণে আমরা বেগুনি দেখি না।

প্রথমত, সূর্যের আলোয় শুরু থেকেই নীলের চেয়ে বেগুনি কম, আর অতিবেগুনি ও বেগুনির কিছুটা ওপরেই শোষিত হয়। দ্বিতীয়ত, চোখ বেগুনিতে খুব দুর্বল: 400 nm-এ তার সংবেদনশীলতা 555 nm-এর শীর্ষের প্রায় 0.1%, যেখানে 450 nm-এ 3%। চোখের হিসেবে ভার দিলে আকাশের বর্ণালির শীর্ষ পড়ে 540 nm-এর কাছে। তৃতীয়ত, রং শীর্ষ থেকে পড়াই হয় না। তিন ধরনের কোন কোষ প্রত্যেকে একটি চওড়া পট্টিতে সাড়া দেয়, আর আকাশের আলো যে মিশ্রণ তৈরি করে তা হালকা নীলের সবচেয়ে কাছে। মডেলও হিসাব করা বর্ণালিকে একইভাবে রঙে বদলায়, আর প্রধান তরঙ্গদৈর্ঘ্য আসে 478 nm, অর্থাৎ আকাশি নীল।

তাই আকাশের রং একটি মিশ্রণ যাতে নীল অনেক বেশি, কোনো একক তরঙ্গদৈর্ঘ্য নয়। এ কারণেই তা কখনো লেজার বা রংধনুর মতো গাঢ় হয় না।

নিচু সূর্য অনেক বেশি বাতাসের ভেতর দিয়ে আলো দেয়

গল্পের দ্বিতীয় অর্ধেক জ্যামিতি। সূর্য মাথার ওপরে থাকলে তার আলো বায়ুমণ্ডলের একটি পুরুত্ব পার হয়, যাকে আপনি সমুদ্রপৃষ্ঠের ঘনত্বে 8 km পুরু বাতাসের স্তর ভাবতে পারেন। সূর্য নিচে নামলে হেলানো পথ লম্বা হয়। এ দুয়ের অনুপাতকে বায়ু ভর বলে।

"1 ভাগ উচ্চতার সাইন" নিয়মটি প্রায় 10° পর্যন্ত ভালো চলে, তারপর খুব ভুল করে কারণ পৃথিবী গোল: দিগন্তে তা অসীম দিত। মডেল এর বদলে বাঁকা স্তর ধরে চলে আর দিগন্তে পায় 35। আসল প্রতিসরণের সঙ্গে মেলানো, বহুল ব্যবহৃত কাস্টেন ও ইয়াং সূত্র দেয় 38।

লাল আর কমলা আসে কোথা থেকে

প্রতিটি বায়ু ভর প্রতিটি রঙের একই ভগ্নাংশ ছড়ায়, তাই ক্ষতিগুলো গুণ হতে থাকে। পরিষ্কার বাতাস আর সামান্য কুয়াশায় দুটি তরঙ্গদৈর্ঘ্যে সরাসরি রোদের এতটুকু বাকি থাকে:

5°-এ, সূর্য থেকে যা বেরিয়েছিল তার তুলনায়, লাল আলো নীলের চেয়ে সাত গুণ জোরালো। চাকতিটি কমলা, তারপর লাল হয়, আর অনেক নিষ্প্রভও হয়, তাই কখনো কখনো আপনি ডুবন্ত সূর্যের দিকে তাকাতে পারেন যা দুপুরে চোখে লাগত। চালান চাপুন, সূর্য প্রায় সেকেন্ডে 2° করে নামে, আর সঙ্গে সঙ্গে চার্টের সাদা রেখা নীল প্রান্তে ঝুলে পড়ে।

মেঘ আর সূর্যের কাছের আকাশও একই রং নেয়, কারণ সেগুলো একই লালচে আলোয় আলোকিত। উঁচু মেঘ সূর্যাস্তের পরও বেশিক্ষণ আলো পায়, তাই মাটি ছায়ায় চলে যাওয়ার পরও সেগুলো জ্বলে।

সূর্যাস্তের পর: ছায়া, বলয় আর নীল প্রহর

সূর্য ডোবার পর ঘুরে দাঁড়িয়ে উল্টো দিকের দিগন্তে তাকান। তার বরাবর একটি ধূসর-নীল পট্টি শুয়ে আছে: বাতাসের ওপর পড়া পৃথিবীর নিজের ছায়া। তার ওপরে একটি গোলাপি পট্টি, শুক্র বলয়, যেখানে বাতাস এতটা উঁচুতে যে আপনার জন্য ডুবে যাওয়া সূর্যের লাল আলো এখনো ধরতে পারে। সূর্য আরও নামলে ছায়া ওঠে আর বলয় ফিকে হয়ে যায়।

আপনি ভাবতে পারেন গোধূলি গাঢ় হলে আকাশ ধূসর হবে, কারণ ওপরের বাতাস আলো করা রোদ নিচের বায়ুমণ্ডলের এতটা পার হয়েছে যে খুব লাল হয়ে গেছে। উল্টে তা গাঢ় নীল হয়। কারণ ওজোন। তার শাপুই পট্টি 600 nm-এর আশপাশে কমলা আর হলুদ আলো শোষণ করে, মাথার ওপর থেকে দুর্বলভাবে (মডেল 0.04 আলোকীয় গভীরতা দেয়), কিন্তু গোধূলির আলো ওজোন স্তরের ভেতর দিয়ে যে খুব লম্বা, প্রায় অনুভূমিক পথে যায় সেখানে জোরালোভাবে। সূর্যকে দিগন্তের 6° নিচে দেখতে নীল প্রহর বেছে নিন।

কুয়াশা, ধুলো আর ধোঁয়া কী বদলায়

অণুর চেয়ে অনেক বড় কণা অন্যভাবে আচরণ করে। ফোঁটা, ধুলো আর ধোঁয়া এক মাইক্রোমিটারের দশ ভাগের এক ভাগ থেকে কয়েক মাইক্রোমিটার পর্যন্ত চওড়া, আলোর তরঙ্গদৈর্ঘ্যের কাছাকাছি বা তার চেয়ে বড়। এরা সব রংকে বেশি সমানভাবে ছড়ায়, আর বেশির ভাগ আলো সামনের দিকে, সূর্যের চারপাশে কয়েক ডিগ্রির মধ্যে পাঠায়। এই সম্মুখ বিক্ষেপণই কুয়াশাচ্ছন্ন দিনে সূর্যের চারপাশের সাদা ঝলক।

মডেল কুয়াশাকে দুটি সংখ্যা দিয়ে বর্ণনা করে। কুয়াশা ও সূক্ষ্ম ধুলো হলো 550 nm-এ অ্যারোসল আলোকীয় গভীরতা, AERONET নেটওয়ার্কের সৌর আলোকমাপক যা মাপে। গ্রামের পরিষ্কার বাতাস 0.1-এর নিচে; বড় শহরের দূষিত দিনে তা 1 ছাড়াতে পারে। কণার আকার হলো অ্যাংস্ট্রম সূচক: সূক্ষ্ম ধোঁয়ার জন্য প্রায় 2, যা এখনো একটু নীলের দিকে ঝোঁকে, আর মোটা মরুভূমির ধুলোর জন্য 0-এর কাছে, যা সব রংকে একইভাবে ছড়ায়।

বেশি কুয়াশার দুটি চোখে পড়ার মতো প্রভাব আছে। দূরের পাহাড় ধূসর-নীলে মিলিয়ে যায়, কারণ আপনার আর পাহাড়ের মাঝের বাতাস নিজের আলো যোগ করে: শিল্পীরা একে বায়বীয় পরিপ্রেক্ষিত বলেন। আর সূর্যাস্ত আরও লাল না হয়ে আরও নিষ্প্রভ হয়, কারণ 0.8 আলোকীয় গভীরতা আর 5°-এ সূর্য থাকলে কোনো রঙেরই প্রায় কিছু পৌঁছায় না। সবচেয়ে উজ্জ্বল লাল সূর্যাস্ত আসে পাতলা কুয়াশাসহ পরিষ্কার বাতাস থেকে, ভারী দূষণ থেকে নয়।

ধোঁয়া হলো সেই ব্যতিক্রম যা নিয়মকে প্রমাণ করে। সেপ্টেম্বর 2020-এ যুক্তরাষ্ট্রের পশ্চিম উপকূলের দাবানলের ধোঁয়া এত ঘন ছিল যে কোথাও কোথাও তার আলোকীয় গভীরতা 5 ছাড়িয়েছিল, দিনের আকাশ অন্ধকার করার জন্য যথেষ্ট। ছোট কণাসহ 3 আলোকীয় গভীরতা বসাতে দাবানলের ধোঁয়া বেছে নিন।

ওপরে আগ্নেয়গিরি

বড় একটি অগ্ন্যুৎপাত সালফার ডাই-অক্সাইডকে আবহাওয়ার ওপরে স্ট্র্যাটোস্ফিয়ারে তুলে দিতে পারে, যেখানে তা সালফিউরিক অ্যাসিডের ক্ষুদ্র ফোঁটায় পরিণত হয়। এগুলো গ্রহজুড়ে ছড়িয়ে পড়ে আর এক বছর বা তার বেশি থাকে। ফিলিপাইনের মাউন্ট পিনাটুবো জুন 1991-এ ঠিক এটাই করেছিল, আর সেই কুয়াশা 1993 পর্যন্ত গ্রহকে প্রায় 0.5 °C ঠান্ডা রেখেছিল।

স্তরটি প্রায় 20 km উঁচুতে থাকে, তাই মাটি অন্ধকার হওয়ার পরও কিছুক্ষণ রোদে থাকে। আগ্নেয় কুয়াশার স্তর চালু করুন আর সূর্যকে দিগন্তের 3° নিচে রাখুন: সন্ধ্যার আভার অনেক ওপরে গোলাপি আর বেগুনি আভা দেখা দেয়। 1883 সালে ক্রাকাতোয়ার অগ্ন্যুৎপাতের পর গোধূলির রং এত তীব্র ছিল যে নিউ ইয়র্ক, পকিপসি আর নিউ হেভেনে এমন আগুন নেভাতে দমকল ডাকা হয়েছিল যার অস্তিত্বই ছিল না।

আরও ওপরে

উচ্চতার সঙ্গে বাতাস পাতলা হয়। মডেলের বায়ুমণ্ডলে ঘনত্ব প্রায় প্রতি 5.5 km-এ অর্ধেক হয়। চোখের উচ্চতা আপনাকে ওপরে তোলে, আর মাথার ওপরের আকাশ গাঢ় হয় কারণ আপনার ওপরে আলো ছড়ানোর বাতাস কম থাকে।

পাহাড়ে 4,000 m-এ প্রায় 40% বাতাস আপনার নিচে থাকে আর খমধ্য গভীর, গাঢ় নীল। 10,700 m-এ, যাত্রীবাহী বিমানের সাধারণ উড়ানের উচ্চতায়, তিন-চতুর্থাংশ বাতাস নিচে, আর জানালা দিয়ে ওপরের আকাশ গাঢ় নেভি নীল, যখন দিগন্ত এখনো ফ্যাকাশে। কনকর্ড 18,300 m পর্যন্ত উড়ত, যেখানে তার যাত্রীরা একটি উজ্জ্বল পট্টির ওপরে আকাশকে গাঢ় হতে দেখতেন। 39 km-এ, 2012 সালে ফেলিক্স বাউমগার্টনারের লাফের উচ্চতায়, আপনার ওপরে 1%-এরও কম বাতাস আর দুপুরেও আকাশ কালো।

প্রায় 400 km ওপরে আন্তর্জাতিক মহাকাশ স্টেশন থেকে বায়ুমণ্ডল গ্রহের বাঁকা কিনারায় একটি সরু জ্বলন্ত রেখা। নীল এখনো আছে, শুধু এখন আপনি তা পাশ থেকে দেখেন।

অন্য আকাশ

মঙ্গল-এর বায়ুমণ্ডল কার্বন ডাই-অক্সাইডের, পৃষ্ঠে চাপ 6.36 মিলিবার, আমাদের 1%-এরও কম, তাই তার গ্যাস খুব কম ছড়ায়। আকাশকে রং দেয় সূক্ষ্ম ধুলো, যা সব সময় বাতাসে থাকে। ধুলো নীল আলো শোষণ করে (তাতে লোহার অক্সাইড আছে) আর লালকে চওড়া কোণে ছড়ায়, তাই দিনের আকাশ হলদে-বাদামি, যাকে লোকে বাটারস্কচ বলে। মডেলে সূর্য থেকে 45°-এ আকাশে নীল লালের চেয়ে 27% দুর্বল।

সূর্যাস্তে ছবিটা উল্টে যায়। আলোর তরঙ্গদৈর্ঘ্যের চেয়ে একটু বড় ধুলোকণা নীল আলোকে লালের চেয়ে সরু শঙ্কুতে সামনে ছোড়ে, তাই সূর্যের কাছে ছড়ানো আলো বেশি নীল। মডেল ডুবন্ত সূর্যের চারপাশে এমন নীল আভা দেয় যাতে লালের চেয়ে 44% বেশি নীল, যা এপ্রিল 2015-এ গেল খাদে কিউরিওসিটি রোভারের তোলা ছবির সঙ্গে মেলে। 2018 সালের বৈশ্বিক ধুলোঝড়ে অপরচুনিটির জায়গায় আলোকীয় গভীরতা 10 ছাড়িয়েছিল। সৌরশক্তিতে চলা অপরচুনিটি রোভার শক্তি হারিয়ে আর কখনো জাগেনি।

চাঁদ-এ বাতাস নেই, তাই কিছুই ছড়ায় না আর সূর্য ওপরে থাকলেও আকাশ কালো। মাটি শুধু সূর্যের আলোয় আলোকিত।

ইউরেনাস আর নেপচুন-এর কোনো কঠিন পৃষ্ঠ নেই, তাই মডেলে আপনি মিথেন মেঘের স্তরের ওপরে ভাসেন। হাইড্রোজেন আর হিলিয়াম আমাদের বাতাসের মতো নীল ছড়ায়, আর মিথেন লাল আলো জোরালোভাবে শোষণ করে, তাই ফিরে আসা আলো সবুজাভ নীল। অক্সফোর্ডের 2024 সালের একটি গবেষণা ভয়েজার 2 আর হাবলের ছবির রং নতুন করে মিলিয়ে দেখেছে যে দুটি গ্রহই কাছাকাছি হালকা সবুজাভ নীল। নেপচুন একটু বেশি নীল কারণ তার কুয়াশার স্তর পাতলা। পুরোনো ছবির গাঢ় নীল নেপচুন এসেছিল কনট্রাস্ট বাড়ানো ছবি থেকে।

চেষ্টা করার জন্য তেইশটি অবস্থা

মডেলের নিচের বার প্রতিটি অবস্থা সাজায় আর দৃষ্টিকে আকাশের দেখার মতো অংশের দিকে ঘোরায়।

1. পরিষ্কার দুপুর: সূর্য 65° ওপরে, মাথার ওপরে গভীর নীল।
2. বিকেল: 30° ওপরে, দিগন্ত সাদার দিকে ফিকে।
3. সোনালি প্রহর: 6° ওপরে, মাঠে উষ্ণ আলো।
4. সূর্যাস্ত: আধ ডিগ্রি ওপরে, চাকতি লাল আর নিষ্প্রভ।
5. পৃথিবীর ছায়া: 2.5° নিচে, পুবে তাকিয়ে।
6. নীল প্রহর: 6° নিচে, ওজোন গোধূলিকে নীল রাখে।
7. বৃষ্টির পর: আলোকীয় গভীরতা 0.01, দূরের পাহাড় স্পষ্ট।
8. কুয়াশাচ্ছন্ন দিন: আলোকীয় গভীরতা 0.8, পাহাড় ঝাপসা।
9. হলুদ ধুলো: মরুভূমির মোটা কণার আলোকীয় গভীরতা 1.5।
10. দাবানলের ধোঁয়া: আলোকীয় গভীরতা 3, কমলা দিন।
11. পিনাটুবোর পর: 0.15 আলোকীয় গভীরতার সালফেট স্তর।
12. ক্রাকাতোয়ার পর: আরও পুরু স্তর, 0.35।
13. পাহাড়চূড়া: চোখ 4,000 m-এ।
14. বিমানের জানালা: চোখ 10,700 m-এ।
15. কনকর্ড: চোখ 18,300 m-এ।
16. স্ট্র্যাটোস্ফিয়ার থেকে লাফ: চোখ 39 km-এ।
17. মহাকাশ স্টেশন: চোখ 400 km-এ।
18. মঙ্গলে দিন: ধুলোর আলোকীয় গভীরতা 0.6।
19. মঙ্গলে সূর্যাস্ত: নীল আভা।
20. মঙ্গলের ধুলোঝড়: আলোকীয় গভীরতা 5।
21. চাঁদ: কালো আকাশ।
22. ইউরেনাস: ঘন কুয়াশা, হালকা সবুজাভ নীল।
23. নেপচুন: পাতলা কুয়াশা, একটু বেশি নীল।

পর্দায় রং যাচাই

দৃশ্যের মাঝের বৃত্তটি দুবার মাপা হয়। পর্দার পিক্সেল ওই জায়গায় সত্যিই আঁকা রং পড়ে, এক্সপোজার আর পর্দার রং-ব্যবস্থাপনার পরে। বর্ণালি থেকে একই জায়গায় মডেলের হিসাব করা বর্ণালি নেয়, আদর্শ পর্যবেক্ষক দিয়ে তাকে CIE রং-স্থানাঙ্কে বদলায়, তারপর sRGB-তে বদলে এমনভাবে মাপ ঠিক করে যাতে সবচেয়ে উজ্জ্বল চ্যানেল পূর্ণ থাকে। তাই বর্ণালির নমুনা সব সময় পূর্ণ উজ্জ্বলতায় রঙের আভা দেখায়, আর পর্দার পিক্সেল পুরো ছবির এক্সপোজারও বহন করে এবং সাধারণত বেশি গাঢ় ও ধূসর। দুটিতে লাল, সবুজ আর নীলের ভারসাম্য মিলিয়ে দেখুন। ভারসাম্য অনেক আলাদা হলে বুঝবেন আঁকার শর্টকাট (লাল, সবুজ আর নীলের জন্য তিনটি তরঙ্গদৈর্ঘ্য) পূর্ণ বর্ণালি থেকে সরে গেছে।

মডেল যা বাদ রাখে

• আলো একবার ছড়ায়। আসল আকাশের আলোর একাংশ দুই বা ততোধিকবার ছড়ায়, যা দিগন্ত আর গোধূলির আকাশকে উজ্জ্বল করে। মডেল এর জন্য একটি মোটামুটি হিসাব যোগ করে।
• আঁকায় তিনটি তরঙ্গদৈর্ঘ্য লাগে, 680, 550 আর 440 nm; চার্ট আর রং যাচাইয়ে লাগে 35টি, 380 থেকে 720 nm পর্যন্ত প্রতি 10 nm-এ।
• প্রতিটি অবস্থায় কুয়াশার কণার একটিই আকার, আর তা একটি স্তরে থাকে যা উচ্চতার সঙ্গে পাতলা হয়। আসল কুয়াশা মিশ্র আকারের কয়েকটি স্তরে আসে।
• পৃথিবীতে মেঘ নেই, রংধনু নেই, সমবর্তন নেই, যদিও সূর্য থেকে 90°-এ আকাশের আলো জোরালোভাবে সমবর্তিত।
• প্রতিসরণ উপেক্ষা করা হয়েছে, তাই দিগন্তের কাছে সূর্য ওঠেও না, চ্যাপ্টাও হয় না।
• ইউরেনাস আর নেপচুনের মিথেন শোষণ একটি মসৃণ ফিট, আসল পট্টি-কাঠামো নয়।

সংক্ষিপ্ত ইতিহাস

1860-এর দশকের শেষে জন টিন্ডাল সূক্ষ্ম কণাভর্তি নলের ভেতর দিয়ে জোরালো আলোকরশ্মি পাঠিয়ে নীল আলোকে পাশের দিকে ছড়াতে দেখেন, যাকে এখন টিন্ডাল প্রভাব বলে। লর্ড র‍্যালে 1871 সালে তত্ত্বটি প্রকাশ করেন, দেখান যে তরঙ্গদৈর্ঘ্যের চেয়ে অনেক ছোট কণা 1/λ⁴ অনুপাতে ছড়ায়, আর 1899 সালে দেখান যে আকাশকে নীল করতে শুধু বাতাসের অণুই যথেষ্ট, ধুলোর দরকার নেই। গ্যাসের ঘনত্ব নিয়ে কাজ আর আর্গন আবিষ্কারের জন্য র‍্যালে 1904 সালের পদার্থবিজ্ঞানে নোবেল পুরস্কার পান। পরে স্মোলুকোভস্কি আর আইনস্টাইন গ্যাসের বিক্ষেপণকে তাদের ঘনত্বের ক্ষুদ্র ওঠানামার সঙ্গে যুক্ত করেন, যা তত্ত্বের শেষ ফাঁকটি পূরণ করে।

এখানে ব্যবহৃত মডেলের ধরন, যা প্রতিটি দৃষ্টিরশ্মি ধরে গোলাকার বায়ুমণ্ডলের ভেতর দিয়ে ধাপে ধাপে এগোয়, এসেছে কম্পিউটার গ্রাফিক্স থেকে: 1993 সালে নিশিতা ও সহকর্মীরা, আর 2008 সালে ব্রুনেটন ও নেয়ারের আগে থেকে হিসাব করা পদ্ধতি।

হিসাবের উদাহরণ: 1/λ⁴ এর অঙ্ক

450 nm এর নীল আর 700 nm এর লাল আলো নিন। রেলে বিক্ষেপণ 1/λ⁴ অনুযায়ী চলে, তাই দুটির প্রাবল্যের অনুপাত (700 ÷ 450)⁴। তরঙ্গদৈর্ঘ্যের অনুপাত 1.556; বর্গ করলে 2.42, আবার বর্গ করলে 5.86। নীল আলো লালের চেয়ে প্রায় 5.9 গুণ বেশি ছড়ায়, যা মডেল যে 440 আর 680 nm জোড়া দিয়ে ছবি আঁকে তার জন্য পাওয়া 5.7 থেকে 5.9 এর কাছাকাছি। 380 nm আর 700 nm জোড়ায় (700 ÷ 380)⁴ অর্থাৎ প্রায় 11.5 পাওয়া যায়।

এবার অনুপাতটাকে মাটিতে পৌঁছানো আলোয় বদলাই। মডেল অনুযায়ী পরিষ্কার বাতাসের খাড়া স্তম্ভ 450 nm আলোর প্রায় 19% ছড়িয়ে দেয়, অর্থাৎ 81% পার হয়। ক্ষয়টা আলোকীয় গভীরতা τ দিয়ে লেখা হয়, যেখানে টিকে থাকা অংশ e⁻τ, আর 0.81 মানে τ = 0.21। একই 5.86 দিয়ে মাপলে লালের τ = 0.21 ÷ 5.86 = 0.036, আর 700 nm আলোর 96% টিকে থাকে।

সূর্যাস্তে এমনটা হয়। দিগন্তে বায়ু ভর প্রায় 38 (কাস্টেন ও ইয়াং), তাই আলোকীয় গভীরতাকে 38 দিয়ে গুণ করতে হয়। নীল: 0.21 × 38 = 8.0, আর e⁻⁸·⁰ হলো 0.0003। লাল: 0.036 × 38 = 1.4, আর e⁻¹·⁴ হলো 0.25। সূর্য প্রায় সব নীল হারিয়েছে, কিন্তু লালের এক-চতুর্থাংশ রেখেছে, অনুপাত প্রায় 760 বনাম 1। এটা সরল যাচাই, যেখানে শুধু বাতাসের অণু ধরা হয়েছে আর 1/λ⁴ কে সঠিক সূত্র মানা হয়েছে। মডেলের আসল মানে ওজোন আর কুয়াশাও আছে, তাই কিছুটা আলাদা, কিন্তু গল্পটা একই।

বাতাসের অণু, জলকণা আর কুয়াশা: আকার কেন গুরুত্বপূর্ণ

আলো 1/λ⁴ নিয়মে ছড়াবে কি না, তা নির্ভর করে কণার আকার তরঙ্গদৈর্ঘ্যের তুলনায় কেমন তার ওপর। নাইট্রোজেন অণু 1 nm এর চেয়েও ছোট, আলোর চেয়ে প্রায় হাজার গুণ ছোট, তাই তার ইলেকট্রনগুলো একসাথে নড়ে আর রেলের সূত্র খাটে। 0.1 থেকে 1 µm এর কুয়াশার কণা তরঙ্গদৈর্ঘ্যের কাছাকাছি, তাদের বোঝাতে মি তত্ত্ব লাগে। রঙের ওপর নির্ভরতা কমে যায় আর বেশির ভাগ আলো সামনের দিকে যায়। প্রায় 10 µm এর মেঘের জলকণা তরঙ্গদৈর্ঘ্যের প্রায় বিশ গুণ বড় এবং সব দৃশ্যমান রংকে প্রায় সমানভাবে ছড়ায়, তাই রোদে আলোকিত মেঘ সাদা দেখায়।

একই কারণে আকাশ সাদাটে হয়। ধোঁয়াশায় ভরা শহরে বা ভ্যাপসা গ্রীষ্মে কণাগুলো তাদের প্রায় বর্ণহীন বিক্ষিপ্ত আলো অণুর নীলের সাথে যোগ করে, ফলে আকাশ ফ্যাকাশে হয়, বিশেষ করে দিগন্তের কাছে যেখানে দৃষ্টিরেখা সবচেয়ে বেশি বাতাস পেরোয়। কুয়াশা ও সূক্ষ্ম ধুলো 0.8 করলে গাঢ় নীল দুধ-সাদাটে হয়ে যায়। তারপর কণার আকার ছোট করলে আকাশে কিছু নীল থেকে যায়; মরুভূমির ধুলোর মতো 0 এর কাছে নিলে আকাশ ধূসর-সাদা হয়।

বৃষ্টির পরে উল্টোটা হয়। কণা কম থাকলে আকাশ গাঢ় আর নীল হয় এবং দূরের পাহাড় স্পষ্ট দেখা যায়। বৃষ্টির পর অবস্থাটা তা-ই দেখায়।

আকাশের আলো সমবর্তিত

অণু থেকে ছড়ানো আলো শুধু সব দিকে যায় না, সমবর্তিতও হয়। একবার মাত্র বিক্ষেপণের আদর্শ ক্ষেত্রে ঠিক 90° বেঁকে যাওয়া আলো পুরোপুরি সমবর্তিত, আর তার তড়িৎক্ষেত্র সূর্য, অণু ও আপনার চোখ ধরে থাকা তলের লম্বভাবে কাঁপে। সূর্যের দিকে বা ঠিক উল্টো দিকে আলো সমবর্তিত নয়। তাই সূর্য থেকে 90° দূরের পরিষ্কার নীল আকাশই সবচেয়ে বেশি সমবর্তিত অংশ।

আসল আকাশের আলো কখনো আদর্শে পৌঁছায় না। সেটা একাধিকবার ছড়ায়, মাটিতে ঠিকরায় এবং কুয়াশার সাথে মেশে, ফলে সমবর্তন কমে। তবু দেখা যায়। সমবর্তক রোদচশমা পরে সূর্য থেকে 90° দূরের পরিষ্কার আকাশের দিকে তাকিয়ে মাথা কাত করুন: আকাশ একবার উজ্জ্বল, একবার গাঢ় হয়। টিন্ডাল 1869 সালে আকাশের আলোর সমবর্তন লিখে রাখেন, আর রেলে 1871 সালে 1/λ⁴ সূত্র যে গবেষণাপত্রে আছে সেখানেই তার তত্ত্ব দেন। মডেল সমবর্তন বাদ দেয় এবং শুধু মোট উজ্জ্বলতা আঁকে, তাই পর্দায় যা দেখেন তা দুই দিকের যোগফল।

প্রচলিত ভুল ধারণা

«আকাশ নীল কারণ সে সমুদ্রকে প্রতিফলিত করে।» আংশিকভাবে উল্টো। মরুভূমি, পাহাড় আর হ্রদের ওপরেও আকাশ নীল, যেগুলো মোটেই নীল নয়। NOAA যেমন বলে, সমুদ্র নীল কারণ জল লাল আলো শুষে নেয়, ফিল্টারের মতো সূর্যালোক ছেঁকে নীল রেখে দেয়। সমুদ্র পৃষ্ঠে আকাশের রঙও নকল করতে পারে, কিন্তু দুই রঙের কারণ আলাদা।

«ধুলো বা জলীয় বাষ্প আকাশকে নীল করে।» টিন্ডালের পরীক্ষায় সূক্ষ্ম কণা ছিল আর অনেক দিন ধরে ভাবা হতো ধুলো লাগে। রেলে 1899 সালে দেখান, শুধু বাতাসের অণুই যথেষ্ট। পরিষ্কার বাতাস আরও নীল।

«আকাশ আসলে বেগুনি, আমাদের চোখ দেখতে পায় না।» অর্ধেক ঠিক। চোখ বেগুনিতে দুর্বল, আর বায়ুমণ্ডলের মাথায় সূর্যালোকেও বেগুনি কম, কিন্তু কোণ কোষগুলো চওড়া মিশ্রণে সাড়া দেয়, আর সেই মিশ্রণ ফ্যাকাশে নীল দেখায়। সংখ্যাগুলো ওপরের বেগুনি অংশে আছে।

«ওজোন আকাশকে নীল করে।» দিনে ওজোনের প্রভাব দুর্বল। তার শোষণ গভীর গোধূলির নীলের জন্য গুরুত্বপূর্ণ, যখন আলো অনেক লম্বা পথ পাড়ি দেয়।

«লাল সূর্যাস্ত দূষণ থেকে আসে।» দূষণ সূর্যাস্তকে আরও কমলা করতে পারে, কিন্তু পরিষ্কার বাতাসেও লম্বা পথের জন্য সূর্য লাল হয়ে যায়। খুব ঘন ধোঁয়া বরং ম্লান সূর্য তৈরি করে।

«নীল আলো বেশি বাঁকে, তাই নিচু সূর্য লাল।» প্রতিসরণ নীল আলোকে একটু বেশি বাঁকায়, কিন্তু এখানে তার কোনো আসল ভূমিকা নেই। নীলকে সরায় বিক্ষেপণ, বাঁকানো নয়।

পর্দায় চেষ্টা করুন

1. পরপর পরিষ্কার দুপুর, সোনালি প্রহর আর সূর্যাস্ত বেছে বায়ু ভর এবং বাকি আলো 680/440 nm সারি দেখুন। বায়ু ভর দ্রুত বাড়ে, আর সরাসরি আলোর নীল অংশ লালের চেয়ে অনেক দ্রুত কমে।
2. কুয়াশাচ্ছন্ন দিন বেছে হাত দিয়ে সূর্য নামান। কুয়াশা বেশি হলে সূর্য কম লাল হয় আর সূর্যাস্ত ম্লান হয়, কুয়াশার অংশের মতো।
3. বৃষ্টির পর আর তারপর হলুদ ধুলো বাছুন। দিগন্তের কাছের আকাশ আর দূরের পাহাড় মিলিয়ে দেখুন।
4. মঙ্গলে দিন আর মঙ্গলে সূর্যাস্ত বাছুন। দিনের আকাশ বাটারস্কচ রঙের, আর অস্তগামী সূর্যের চারপাশের নীল আভা শুধু সূর্যাস্তে দেখা যায়।
5. চোখের উচ্চতা মাটি থেকে বিমানের জানালা আর স্ট্র্যাটোস্ফিয়ার থেকে লাফ পর্যন্ত তুলুন এবং দেখুন মাথার ওপরের আকাশ নীল থেকে গাঢ় নীল, তারপর কালো হয়।
6. চোখের সংবেদনশীলতা চালু করে আকাশের রেখা চোখের রেখার সাথে মেলান।