آسمان نیلا اور غروب سرخ کیوں ہوتا ہے

صاف دوپہر میں اوپر دیکھیے

دھوپ سفید ہے، اور جس ہوا سے گزر کر وہ آتی ہے وہ شفاف ہے۔ تو پھر نیلا آسمان کہاں سے آتا ہے، اور وہی سورج ڈوبنے سے آدھا گھنٹہ پہلے نارنجی کیوں دکھائی دیتا ہے؟ دونوں رنگ ایک ہی اثر سے بنتے ہیں۔ ہوا کے سالمے دھوپ کے تھوڑے سے حصے کو اس کے راستے سے ہٹا دیتے ہیں، اور یہ کام وہ لمبی طول موج کے مقابلے میں چھوٹی طول موج کے ساتھ کہیں زیادہ کرتے ہیں۔

اوپر کا ماڈل ایک کھیت ہے جس کے اوپر کا آسمان اسی اثر سے پکسل بہ پکسل حساب کر کے بنایا گیا ہے۔ آپ سورج کو کھینچ کر افق تک لا سکتے ہیں، دھند گاڑھی کر سکتے ہیں، کرۂ قائمہ (اسٹریٹوسفیئر) میں آتش فشانی تہ ڈال سکتے ہیں، اپنی آنکھ کو مسافر طیارے کی پرواز کی بلندی یا مدار تک لے جا سکتے ہیں، اور سیارہ بدل کر مریخ، چاند، یورینس یا نیپچون کر سکتے ہیں۔ بائیں طرف کا پینل ہر منظر کے پیچھے کے اعداد بتاتا ہے، اور نیچے کی پٹی ایک ٹچ میں 23 اصل حالتیں بنا دیتی ہے۔

ہوا سرخ سے زیادہ نیلا کیوں بکھیرتی ہے

نائٹروجن یا آکسیجن کا ایک سالمہ نظر آنے والی روشنی کی طول موج سے تقریباً ایک ہزار گنا چھوٹا ہوتا ہے۔ جب روشنی کی لہر گزرتی ہے تو وہ سالمے کے الیکٹرانوں کو آگے پیچھے دھکیلتی ہے، اور یہ ہلتے ہوئے الیکٹران تقریباً ہر سمت میں اپنی روشنی بھیجتے ہیں۔ یہی ریلے انتشار ہے، اور اس کی شدت طول موج کی چوتھی طاقت کے بالعکس متناسب ہوتی ہے۔

یہ چوتھی طاقت ہی فرق کو اتنا بڑا بناتی ہے۔ 440 nm کی نیلی روشنی کی طول موج 680 nm کی سرخ روشنی کی 0.65 گنا ہے، اور 0.65⁴ تقریباً 0.18 بنتا ہے، اس لیے نیلا تقریباً 5.7 گنا زیادہ بکھرتا ہے۔ ہوا کا ناپا ہوا انعطافی اشاریہ لیں، جو خود نیلے کے لیے کچھ زیادہ ہے، تو ماڈل 5.9 نکالتا ہے۔ پوری نظر آنے والی حد میں، 400 سے 700 nm تک، یہ تناسب تقریباً 10 ہے۔

اعداد میں کہیں تو صاف ہوا کا ایک کھڑا ستون اس میں داخل ہونے والی 450 nm روشنی کا تقریباً 19% بکھیر دیتا ہے، اور 650 nm روشنی کا 5% سے کم۔ یہ گم شدہ نیلا ختم نہیں ہوتا۔ وہ پورے آسمان کے گنبد میں پھیل جاتا ہے، اور سورج سے ہٹ کر دیکھنے پر آپ کو یہی روشنی نظر آتی ہے۔

آنکھ کی حساسیت چالو کریں تو پینل کا چارٹ دو منحنی ساتھ دکھاتا ہے: آپ کی نظر کے مرکز تک پہنچنے والی روشنی کا طیف (بنفشی سرے کی طرف بڑھتا ہوا) اور آنکھ کی اپنی حساسیت (سبز پر مرکوز ایک کوہان)۔

آسمان بنفشی نہیں، نیلا کیوں ہے

اگر چھوٹی طول موج سب سے زیادہ بکھرتی ہے تو آسمان کو بنفشی ہونا چاہیے۔ ماڈل میں سر کے اوپر کے آسمان کا طیف واقعی نظر آنے والی حد کے بنفشی سرے پر، 380 nm کے قریب، سب سے اونچا ہوتا ہے۔ تین باتیں ہمیں بنفشی دیکھنے سے روکتی ہیں۔

پہلی، دھوپ میں شروع ہی سے نیلے کے مقابلے میں بنفشی کم ہوتا ہے، اور بالائے بنفشی اور بنفشی کا کچھ حصہ اونچائی پر ہی جذب ہو جاتا ہے۔ دوسری، آنکھ بنفشی میں بہت کمزور ہے: 400 nm پر اس کی حساسیت 555 nm کی چوٹی کا تقریباً 0.1% ہے، جبکہ 450 nm پر 3%۔ آنکھ کے حساب سے وزن دیں تو آسمان کے طیف کی چوٹی 540 nm کے قریب آتی ہے۔ تیسری، رنگ چوٹی سے پڑھا ہی نہیں جاتا۔ تینوں طرح کے مخروطی خلیے ایک ایک چوڑی پٹی پر ردِعمل دیتے ہیں، اور آسمانی روشنی سے بننے والا میل ہلکے نیلے کے سب سے قریب ہوتا ہے۔ ماڈل بھی حساب کیے گئے طیف کو اسی طرح رنگ میں بدلتا ہے، اور غالب طول موج 478 nm آتی ہے، یعنی آسمانی نیلا۔

تو آسمان کا رنگ ایک آمیزہ ہے جس میں نیلا بہت زیادہ ہے، کوئی ایک طول موج نہیں۔ اسی لیے وہ کبھی لیزر یا قوسِ قزح جتنا گہرا نہیں ہوتا۔

نیچا سورج کہیں زیادہ ہوا سے گزر کر چمکتا ہے

کہانی کا دوسرا حصہ جیومیٹری ہے۔ جب سورج سر کے اوپر ہو تو اس کی روشنی کرۂ ہوائی کی ایک موٹائی پار کرتی ہے، جسے آپ سطحِ سمندر کی کثافت والی 8 km موٹی ہوا کی تہ سمجھ سکتے ہیں۔ سورج نیچا ہو تو ترچھا راستہ لمبا ہو جاتا ہے۔ ان دونوں کے تناسب کو ہوائی کمیت کہتے ہیں۔

«1 تقسیم بلندی کا سائن» والا قاعدہ تقریباً 10° تک ٹھیک چلتا ہے، پھر بری طرح غلط ہونے لگتا ہے کیونکہ زمین گول ہے: افق پر وہ لامتناہی دیتا۔ ماڈل اس کے بجائے خم دار تہ کے ساتھ چلتا ہے اور افق پر 35 پاتا ہے۔ اصل انعطاف پر بٹھایا گیا، عام استعمال ہونے والا کاسٹن اور ینگ کا فارمولا 38 دیتا ہے۔

سرخ اور نارنجی کہاں سے آتے ہیں

ہر ہوائی کمیت ہر رنگ کا ایک جیسا حصہ بکھیرتی ہے، اس لیے نقصان ضرب ہوتے جاتے ہیں۔ صاف ہوا اور تھوڑی دھند میں دو طول موجوں پر سیدھی دھوپ کا اتنا حصہ بچتا ہے:

5° پر، سورج سے نکلی روشنی کے مقابلے میں، سرخ روشنی نیلی سے سات گنا زیادہ طاقتور ہے۔ سورج کی ٹکیہ نارنجی، پھر سرخ ہو جاتی ہے، اور بہت مدھم بھی، اسی لیے کبھی کبھی آپ ڈوبتے سورج کو دیکھ پاتے ہیں جو دوپہر میں آنکھوں کو چبھتا۔ چلائیں دبائیں، سورج تقریباً 2° فی سیکنڈ ڈوبتا ہے، اور ساتھ ساتھ چارٹ کی سفید لکیر نیلے سرے پر جھکتی جاتی ہے۔

بادل اور سورج کے قریب کا آسمان بھی یہی رنگ لے لیتے ہیں، کیونکہ ان پر بھی وہی سرخ ہوئی روشنی پڑتی ہے۔ اونچے بادل غروب کے بعد دیر تک روشن رہتے ہیں، اسی لیے زمین سائے میں چلے جانے کے بعد بھی وہ چمکتے ہیں۔

غروب کے بعد: سایہ، پٹی اور نیلا پہر

سورج ڈوبنے کے بعد مڑ کر سامنے والے افق کو دیکھیے۔ اس کے ساتھ ساتھ ایک سرمئی نیلی پٹی پڑی ہے: یہ ہوا پر پڑنے والا خود زمین کا سایہ ہے۔ اس کے اوپر ایک گلابی پٹی ہے، زہرہ کی پٹی، جہاں ہوا اتنی اونچی ہے کہ اس سورج کی سرخ روشنی اب بھی پکڑ لیتی ہے جو آپ کے لیے ڈوب چکا ہے۔ سورج اور نیچے جاتا ہے تو سایہ اوپر اٹھتا ہے اور پٹی مدھم پڑ جاتی ہے۔

آپ سوچ سکتے ہیں کہ جھٹپٹا گہرا ہونے پر آسمان سرمئی ہو جائے گا، کیونکہ اوپری ہوا کو روشن کرنے والی دھوپ نچلے کرۂ ہوائی کا اتنا حصہ پار کر چکی ہے کہ بہت سرخ ہو گئی ہے۔ اس کے بجائے وہ گہرا نیلا ہو جاتا ہے۔ وجہ اوزون ہے۔ اس کا شاپوئی بینڈ 600 nm کے آس پاس نارنجی اور پیلی روشنی جذب کرتا ہے، سر کے اوپر سے کمزوری سے (ماڈل 0.04 کی بصری گہرائی دیتا ہے)، مگر اس بہت لمبے، تقریباً افقی راستے پر بہت زیادہ جس سے جھٹپٹے کی روشنی اوزون کی تہ پار کرتی ہے۔ سورج کو افق سے 6° نیچے دیکھنے کے لیے نیلا پہر چنیے۔

دھند، گرد اور دھواں کیا بدلتے ہیں

سالموں سے بہت بڑے ذرات مختلف برتاؤ کرتے ہیں۔ قطرے، گرد اور دھواں ایک مائیکرومیٹر کے دسویں حصے سے لے کر کئی مائیکرومیٹر تک کے ہوتے ہیں، روشنی کی طول موج کے قریب یا اس سے بڑے۔ وہ سب رنگوں کو زیادہ برابر بکھیرتے ہیں، اور اپنی زیادہ تر روشنی آگے کی طرف، سورج کے گرد چند درجوں میں بھیجتے ہیں۔ یہی آگے کی طرف انتشار دھند والے دن سورج کے گرد سفید چکاچوند ہے۔

ماڈل دھند کو دو اعداد سے بیان کرتا ہے۔ دھند اور باریک گرد 550 nm پر ایروسول بصری گہرائی ہے، وہی مقدار جسے AERONET نیٹ ورک کے شمسی فوٹومیٹر ناپتے ہیں۔ دیہات کی صاف ہوا 0.1 سے نیچے ہوتی ہے؛ بڑے شہر کا آلودہ دن 1 سے اوپر جا سکتا ہے۔ ذرات کا سائز اینگسٹروم قوت نما ہے: باریک دھوئیں کے لیے تقریباً 2، جو اب بھی کچھ نیلے کی طرف جھکتا ہے، اور موٹی صحرائی گرد کے لیے 0 کے قریب، جو سب رنگوں کو ایک جیسا بکھیرتی ہے۔

زیادہ دھند کے دو نظر آنے والے اثرات ہیں۔ دور کی پہاڑیاں سرمئی نیلے میں مدھم ہو جاتی ہیں، کیونکہ آپ کے اور ان کے بیچ کی ہوا اپنی روشنی شامل کرتی ہے: مصور اسے فضائی تناظر کہتے ہیں۔ اور غروب زیادہ سرخ ہونے کے بجائے زیادہ مدھم ہو جاتا ہے، کیونکہ 0.8 کی بصری گہرائی اور 5° پر سورج ہونے سے کسی بھی رنگ کا تقریباً کچھ نہیں پہنچتا۔ سب سے چمکدار سرخ غروب بھاری آلودگی سے نہیں بلکہ پتلی دھند والی صاف ہوا سے آتے ہیں۔

دھواں وہ استثنا ہے جو قاعدے کو ثابت کرتا ہے۔ ستمبر 2020 میں امریکہ کے مغربی ساحل کے جنگلات کی آگ کا دھواں اتنا گھنا تھا کہ کچھ جگہوں پر اس کی بصری گہرائی 5 سے اوپر چلی گئی، جو دن کے آسمان کو تاریک کرنے کے لیے کافی تھی۔ چھوٹے ذرات کے ساتھ 3 کی بصری گہرائی کے لیے جنگل کی آگ کا دھواں چنیے۔

اونچائی پر آتش فشاں

ایک بڑا آتش فشانی پھٹاؤ سلفر ڈائی آکسائیڈ کو موسم سے اوپر کرۂ قائمہ تک اٹھا سکتا ہے، جہاں وہ سلفیورک ایسڈ کے ننھے قطروں میں بدل جاتی ہے۔ یہ پورے سیارے پر پھیل جاتے ہیں اور ایک سال یا اس سے زیادہ رہتے ہیں۔ فلپائن کے کوہِ پیناٹوبو نے جون 1991 میں یہی کیا، اور اس دھند نے 1993 تک سیارے کو تقریباً 0.5 °C ٹھنڈا رکھا۔

یہ تہ تقریباً 20 km پر ہوتی ہے، اس لیے زمین پر اندھیرا ہونے کے بعد بھی کچھ دیر دھوپ میں رہتی ہے۔ آتش فشانی دھند کی تہ چالو کریں اور سورج کو افق سے 3° نیچے رکھیں: شفق کی چمک کے بہت اوپر گلابی اور ارغوانی چمک دکھائی دیتی ہے۔ 1883 میں کراکاتوا کے پھٹنے کے بعد جھٹپٹے کے رنگ اتنے تیز تھے کہ نیویارک، پوکیپسی اور نیو ہیون میں ایسی آگ بجھانے کے لیے فائر بریگیڈ بلائے گئے جو تھی ہی نہیں۔

اور اوپر

بلندی کے ساتھ ہوا پتلی ہوتی جاتی ہے۔ ماڈل کے کرۂ ہوائی میں کثافت تقریباً ہر 5.5 km پر آدھی رہ جاتی ہے۔ آنکھ کی بلندی آپ کو اوپر لے جاتی ہے، اور سر کے اوپر کا آسمان گہرا ہوتا جاتا ہے کیونکہ آپ کے اوپر روشنی بکھیرنے کو کم ہوا بچتی ہے۔

پہاڑ پر 4,000 m پر تقریباً 40% ہوا آپ کے نیچے ہوتی ہے اور سمت الراس گہرا، گاڑھا نیلا ہوتا ہے۔ 10,700 m پر، جو مسافر طیارے کی عام پرواز کی بلندی ہے، تین چوتھائی ہوا نیچے ہوتی ہے، اور کھڑکی سے اوپر کا آسمان گہرا نیوی نیلا دکھتا ہے جبکہ افق ابھی پھیکا ہے۔ کونکورڈ 18,300 m تک اڑتا تھا، جہاں اس کے مسافر ایک روشن پٹی کے اوپر آسمان کو گہرا ہوتے دیکھ سکتے تھے۔ 39 km پر، 2012 میں فیلکس باؤمگارٹنر کی چھلانگ کی بلندی پر، 1% سے کم ہوا آپ کے اوپر ہوتی ہے اور دوپہر میں بھی آسمان کالا ہوتا ہے۔

تقریباً 400 km اوپر بین الاقوامی خلائی اسٹیشن سے کرۂ ہوائی سیارے کے خم دار کنارے پر ایک پتلی چمکتی لکیر ہے۔ نیلا اب بھی ہے، بس اب آپ اسے پہلو سے دیکھتے ہیں۔

دوسرے آسمان

مریخ کا کرۂ ہوائی کاربن ڈائی آکسائیڈ کا ہے، سطح پر دباؤ 6.36 ملی بار، ہمارے دباؤ کے 1% سے کم، اس لیے اس کی گیس بہت کم بکھیرتی ہے۔ آسمان کو رنگ وہ باریک گرد دیتی ہے جو ہمیشہ ہوا میں رہتی ہے۔ گرد نیلی روشنی جذب کرتی ہے (اس میں لوہے کے آکسائیڈ ہیں) اور سرخ کو چوڑے زاویوں میں بکھیرتی ہے، اس لیے دن کا آسمان پیلا بھورا ہوتا ہے جسے لوگ بٹر اسکاچ کہتے ہیں۔ ماڈل میں سورج سے 45° پر آسمان میں نیلا سرخ سے 27% کمزور ہے۔

غروب پر تصویر الٹ جاتی ہے۔ روشنی کی طول موج سے کچھ بڑے گرد کے ذرے نیلی روشنی کو سرخ کے مقابلے میں تنگ مخروط میں آگے پھینکتے ہیں، اس لیے سورج کے پاس بکھری روشنی زیادہ نیلی ہوتی ہے۔ ماڈل ڈوبتے سورج کے گرد ایسی نیلی چمک دیتا ہے جس میں سرخ سے 44% زیادہ نیلا ہے، جو اپریل 2015 میں گیل گڑھے میں کیوریوسٹی روور کی کھینچی گئی تصویر سے میل کھاتی ہے۔ 2018 کے عالمی گرد کے طوفان میں اپرچونٹی کی جگہ پر بصری گہرائی 10 سے اوپر چلی گئی۔ شمسی توانائی سے چلنے والا اپرچونٹی روور بجلی کھو بیٹھا اور پھر کبھی نہیں جاگا۔

چاند پر ہوا نہیں، اس لیے کچھ نہیں بکھرتا اور اونچے سورج کے ساتھ بھی آسمان کالا رہتا ہے۔ زمین صرف سورج سے روشن ہوتی ہے۔

یورینس اور نیپچون کی کوئی ٹھوس سطح نہیں، اس لیے ماڈل میں آپ میتھین کے بادلوں کی تہ کے اوپر تیرتے ہیں۔ ہائیڈروجن اور ہیلیئم ہماری ہوا کی طرح نیلا بکھیرتے ہیں، اور میتھین سرخ روشنی کو زور سے جذب کرتی ہے، اس لیے لوٹنے والی روشنی سبزی مائل نیلی ہوتی ہے۔ آکسفورڈ کے 2024 کے ایک مطالعے نے وائجر 2 اور ہبل کی تصویروں کا رنگی توازن دوبارہ کیا اور پایا کہ دونوں سیارے ملتے جلتے ہلکے سبزی مائل نیلے ہیں۔ نیپچون کچھ زیادہ نیلا ہے کیونکہ اس کی دھند کی تہ پتلی ہے۔ پرانی تصویروں کا گہرا نیلا نیپچون کنٹراسٹ کھینچی ہوئی تصویروں سے آیا تھا۔

آزمانے کے لیے تئیس حالتیں

ماڈل کے نیچے کی پٹی ہر حالت بناتی ہے اور نظر کو آسمان کے دلچسپ حصے کی طرف موڑ دیتی ہے۔

1. صاف دوپہر: سورج 65° اوپر، سر کے اوپر گہرا نیلا۔
2. سہ پہر: 30° اوپر، افق سفید کی طرف پھیکا۔
3. سنہرا پہر: 6° اوپر، کھیت پر گرم روشنی۔
4. غروب: آدھا درجہ اوپر، ٹکیہ سرخ اور مدھم۔
5. زمین کا سایہ: 2.5° نیچے، مشرق کی طرف دیکھتے ہوئے۔
6. نیلا پہر: 6° نیچے، اوزون جھٹپٹے کو نیلا رکھتی ہے۔
7. بارش کے بعد: بصری گہرائی 0.01، دور کی پہاڑیاں واضح۔
8. دھند والا دن: بصری گہرائی 0.8، پہاڑیاں مدھم۔
9. پیلی گرد: صحرا کے موٹے ذرات کی بصری گہرائی 1.5۔
10. جنگل کی آگ کا دھواں: بصری گہرائی 3، نارنجی دن۔
11. پیناٹوبو کے بعد: 0.15 بصری گہرائی کی سلفیٹ تہ۔
12. کراکاتوا کے بعد: زیادہ موٹی تہ، 0.35۔
13. پہاڑ کی چوٹی: آنکھ 4,000 m پر۔
14. طیارے کی کھڑکی: آنکھ 10,700 m پر۔
15. کونکورڈ: آنکھ 18,300 m پر۔
16. کرۂ قائمہ سے چھلانگ: آنکھ 39 km پر۔
17. خلائی اسٹیشن: آنکھ 400 km پر۔
18. مریخ پر دن: گرد کی بصری گہرائی 0.6۔
19. مریخ پر غروب: نیلی چمک۔
20. مریخ کا گرد کا طوفان: بصری گہرائی 5۔
21. چاند: کالا آسمان۔
22. یورینس: گھنی دھند، ہلکا سبزی مائل نیلا۔
23. نیپچون: پتلی دھند، کچھ زیادہ نیلا۔

اسکرین پر رنگ کی جانچ

منظر کے بیچ کا حلقہ دو بار ناپا جاتا ہے۔ اسکرین پکسل اس جگہ واقعی بنا ہوا رنگ پڑھتا ہے، ایکسپوژر اور اسکرین کے رنگی انتظام کے بعد۔ طیف سے اسی جگہ ماڈل کا حساب کیا ہوا طیف لیتا ہے، معیاری ناظر سے اسے CIE رنگی محدد میں بدلتا ہے، پھر sRGB میں بدل کر ایسے پیمانے پر لاتا ہے کہ سب سے روشن چینل پورا ہو۔ اس لیے طیف والا نمونہ ہمیشہ پوری چمک پر رنگت دکھاتا ہے، جبکہ اسکرین پکسل پوری تصویر کا ایکسپوژر بھی ساتھ لیتا ہے اور عموماً زیادہ گہرا اور سرمئی ہوتا ہے۔ دونوں میں سرخ، سبز اور نیلے کا توازن ملائیے۔ اگر توازن بہت مختلف ہو تو تصویر بنانے کا مختصر راستہ (سرخ، سبز اور نیلے کے لیے تین طول موج) پورے طیف سے بھٹک گیا ہے۔

ماڈل کن باتوں کو چھوڑ دیتا ہے

• روشنی ایک بار بکھرتی ہے۔ اصل آسمانی روشنی کا کچھ حصہ دو یا زیادہ بار بکھرتا ہے، جو افق اور جھٹپٹے کے آسمان کو زیادہ روشن کرتا ہے۔ ماڈل اس کے لیے ایک موٹا اندازہ شامل کرتا ہے۔
• تصویر بنانے میں تین طول موج، 680، 550 اور 440 nm، استعمال ہوتی ہیں؛ چارٹ اور رنگ کی جانچ میں 35، 380 سے 720 nm تک ہر 10 nm پر۔
• ہر حالت میں دھند کے ذرات کا ایک ہی سائز ہے اور وہ ایک ہی تہ میں ہے جو بلندی کے ساتھ پتلی ہوتی ہے۔ اصل دھند ملے جلے سائزوں کی کئی تہوں میں آتی ہے۔
• زمین پر نہ بادل ہیں، نہ قوسِ قزح اور نہ تقطیب، حالانکہ سورج سے 90° پر آسمانی روشنی کافی مقطب ہوتی ہے۔
• انعطاف کو نظرانداز کیا گیا ہے، اس لیے افق کے قریب سورج نہ اوپر اٹھتا ہے نہ چپٹا ہوتا ہے۔
• یورینس اور نیپچون کا میتھین انجذاب ایک ہموار منحنی ہے، اصل بینڈ کی ساخت نہیں۔

مختصر تاریخ

1860 کی دہائی کے آخر میں جان ٹنڈل نے باریک ذرات سے بھری نلیوں میں تیز روشنی کی شعاعیں ڈالیں اور نیلی روشنی کو پہلو کی طرف بکھرتے دیکھا، جسے اب ٹنڈل اثر کہتے ہیں۔ لارڈ ریلے نے 1871 میں نظریہ شائع کیا، جس میں دکھایا کہ طول موج سے بہت چھوٹے ذرات 1/λ⁴ کے تناسب سے بکھیرتے ہیں، اور 1899 میں دکھایا کہ آسمان کو نیلا کرنے کے لیے اکیلے ہوا کے سالمے کافی ہیں، گرد کی ضرورت نہیں۔ ریلے کو گیسوں کی کثافت پر کام اور آرگون کی دریافت کے لیے 1904 کا طبیعیات کا نوبل انعام ملا۔ بعد میں اسمولوخوسکی اور آئن اسٹائن نے گیسوں کے انتشار کو ان کی کثافت کے ننھے اتار چڑھاؤ سے جوڑا، جس سے نظریے کا آخری خلا پر ہوا۔

یہاں استعمال ہونے والے ماڈل کی قسم، جو ہر نظر کی شعاع کے ساتھ کروی کرۂ ہوائی میں قدم بہ قدم چلتی ہے، کمپیوٹر گرافکس سے آئی ہے: 1993 میں نیشیتا اور ساتھی، اور 2008 میں برونیٹن اور نیرے کا پہلے سے حساب کیا ہوا طریقہ۔

حساب کی مثال: 1/λ⁴ کا حساب

450 nm کی نیلی اور 700 nm کی سرخ روشنی لیجیے۔ ریلے بکھراؤ 1/λ⁴ کے مطابق چلتا ہے۔

اس لیے دونوں کی شدت کی نسبت (700 ÷ 450)⁴ ہے۔

طول موج کی نسبت 1.556 ہے۔

اس کا مربع 2.42 ہے۔

اور اس کا مربع 5.86 ہے۔

نیلی روشنی سرخ سے تقریباً 5.9 گنا زیادہ بکھرتی ہے، جو اس 5.7 سے 5.9 کے قریب ہے جو ماڈل 440 اور 680 nm کے اس جوڑے کے لیے نکالتا ہے جس سے وہ تصویر بناتا ہے۔ 380 nm اور 700 nm کا جوڑا (700 ÷ 380)⁴ دیتا ہے، یعنی تقریباً 11.5۔

اب اس نسبت کو زمین تک پہنچنے والی روشنی میں بدلتے ہیں۔ ماڈل کے مطابق صاف ہوا کا عمودی ستون 450 nm کی تقریباً 19% روشنی بکھیر دیتا ہے، یعنی 81% گزر جاتی ہے۔ کمی کو بصری گہرائی τ سے لکھا جاتا ہے، اور بچنے والا حصہ e⁻τ ہوتا ہے۔ یوں 0.81 کا مطلب τ = 0.21 ہے۔ اسی 5.86 سے پیمانہ بدلیں تو سرخ کے لیے τ = 0.21 ÷ 5.86 = 0.036 ہے۔ اس طرح 700 nm کی 96% روشنی بچتی ہے۔

غروب آفتاب میں یوں ہوتا ہے۔ افق پر ہوائی کمیت تقریباً 38 ہے (کاسٹن اور ینگ)۔ اس لیے بصری گہرائیوں کو 38 سے ضرب دیتے ہیں۔

نیلا: 0.21 × 38 = 8.0، اور e⁻⁸·⁰ کی قدر 0.0003 ہے۔

سرخ: 0.036 × 38 = 1.4، اور e⁻¹·⁴ کی قدر 0.25 ہے۔

سورج تقریباً سارا نیلا کھو چکا ہے مگر سرخ کا چوتھائی بچا ہے، یعنی نسبت تقریباً 760 اور 1 کی ہے۔ یہ ایک سادہ جانچ ہے جس میں صرف ہوا کے سالمات لیے گئے ہیں اور 1/λ⁴ کو درست قانون مانا گیا ہے۔ ماڈل کی اصل قدروں میں اوزون اور دھند بھی شامل ہیں، اس لیے وہ کچھ مختلف ہیں، لیکن کہانی وہی ہے۔

ہوا کے سالمات، بوندیں اور دھند: حجم کیوں اہم ہے

روشنی 1/λ⁴ سے بکھرے گی یا نہیں، یہ ذرّے کے حجم کی طول موج سے نسبت پر منحصر ہے۔ نائٹروجن کا سالمہ 1 nm سے بھی چھوٹا ہے، روشنی سے تقریباً ہزار گنا چھوٹا۔ اس لیے اس کے الیکٹران اکٹھے حرکت کرتے ہیں اور ریلے کا قانون لاگو ہوتا ہے۔ 0.1 سے 1 µm کے دھند کے ذرّے طول موج کے قریب ہوتے ہیں اور انہیں مائی نظریے سے بیان کیا جاتا ہے۔ رنگ پر انحصار کمزور ہو جاتا ہے اور زیادہ تر روشنی آگے کی طرف جاتی ہے۔ تقریباً 10 µm کی بادل کی بوندیں طول موج سے قریباً بیس گنا بڑی ہیں اور تمام نظر آنے والے رنگوں کو تقریباً برابر بکھیرتی ہیں۔ اسی لیے دھوپ میں چمکتا بادل سفید دکھائی دیتا ہے۔

یہی خیال سفیدی مائل آسمان کی وضاحت کرتا ہے۔ دھوئیں بھرے شہر میں یا مرطوب گرمی میں ذرّے اپنی تقریباً بے رنگ بکھری روشنی سالمات کے نیلے میں جوڑ دیتے ہیں اور آسمان پھیکا پڑ جاتا ہے۔ یہ افق کے قریب زیادہ ہوتا ہے، جہاں نگاہ کی لکیر سب سے زیادہ ہوا سے گزرتی ہے۔ دھند اور باریک گرد کو 0.8 پر رکھیں تو گہرا نیلا دودھیا ہو جاتا ہے۔ پھر ذرات کا سائز چھوٹا کریں تو آسمان میں کچھ نیلا رہ جاتا ہے۔ صحرائی گرد کی طرح اسے 0 کے قریب لے جائیں تو آسمان خاکستری سفید ہو جاتا ہے۔

بارش کے بعد الٹ ہوتا ہے۔ ذرّے کم ہوں تو آسمان زیادہ گہرا اور نیلا ہوتا ہے اور دور کی پہاڑیاں صاف دکھتی ہیں۔ بارش کے بعد کی حالت یہی دکھاتی ہے۔

آسمان کی روشنی قطبی ہوتی ہے

سالمے سے بکھری روشنی صرف ہر طرف نہیں جاتی، وہ قطبی بھی ہوتی ہے۔ ایک ہی بار بکھرنے کی مثالی صورت میں ٹھیک 90° مڑی ہوئی روشنی مکمل قطبی ہوتی ہے۔ اس کا برقی میدان اس سطح کے عمود پر ارتعاش کرتا ہے جس میں سورج، سالمہ اور آپ کی آنکھ ہیں۔ سورج کی سمت میں یا بالکل الٹی سمت میں روشنی قطبی نہیں ہوتی۔ اس لیے سورج سے 90° دور صاف نیلا آسمان سب سے زیادہ قطبی حصہ ہے۔

اصل آسمانی روشنی مثالی حد تک نہیں پہنچتی۔ وہ ایک سے زیادہ بار بکھرتی ہے، زمین سے ٹکراتی ہے اور دھند سے ملتی ہے، جس سے قطبیت کم ہوتی ہے۔ پھر بھی اسے دیکھا جا سکتا ہے۔ قطبی دھوپ کا چشمہ پہنیں، سورج سے 90° دور آسمان کے صاف ٹکڑے کو دیکھیں اور سر ٹیڑھا کریں۔ آسمان باری باری روشن اور گہرا ہوتا ہے۔ ٹنڈل نے 1869 میں آسمانی روشنی کی قطبیت درج کی۔ ریلے نے 1871 میں اسی مقالے میں اس کا نظریہ دیا جس میں 1/λ⁴ کا قانون ہے۔ ماڈل قطبیت کو چھوڑ دیتا ہے اور صرف کل چمک بناتا ہے، اس لیے سکرین پر جو دکھتا ہے وہ دونوں سمتوں کا مجموعہ ہے۔

عام غلط فہمیاں

«آسمان اس لیے نیلا ہے کہ وہ سمندر کو منعکس کرتا ہے۔» کسی حد تک یہ الٹ ہے۔ آسمان صحراؤں، پہاڑوں اور جھیلوں کے اوپر بھی نیلا ہے جو بالکل نیلے نہیں ہوتے۔ NOAA کے مطابق سمندر اس لیے نیلا ہے کہ پانی سرخ روشنی جذب کر لیتا ہے۔ یوں وہ دھوپ کو چھان کر نیلا چھوڑ دیتا ہے۔ سمندر اپنی سطح پر آسمان کا رنگ بھی دہرا سکتا ہے، لیکن دونوں رنگوں کے اسباب الگ ہیں۔

«گرد یا آبی بخارات آسمان کو نیلا بناتے ہیں۔» ٹنڈل کے تجربات میں باریک ذرّے تھے اور مدت تک گمان رہا کہ گرد ضروری ہے۔ ریلے نے 1899 میں دکھایا کہ تنہا ہوا کے سالمات کافی ہیں۔ صاف ہوا زیادہ نیلی ہوتی ہے۔

«آسمان دراصل جامنی ہے، بس ہماری آنکھ نہیں دیکھ پاتی۔» آدھا درست ہے۔ آنکھ جامنی میں کمزور ہے اور فضا کی چوٹی پر سورج کی روشنی میں بھی جامنی کم ہے۔ لیکن مخروطی خلیے ایک وسیع آمیزے پر ردعمل دیتے ہیں اور وہ آمیزہ ہلکا نیلا دکھتا ہے۔ اعداد اوپر جامنی والے حصے میں ہیں۔

«اوزون آسمان کو نیلا بناتا ہے۔» دن میں اوزون کا اثر کمزور ہے۔ اس کا جذب گہری شفق کے نیلے کے لیے اہم ہے، جب روشنی بہت لمبا راستہ طے کرتی ہے۔

«سرخ غروب آلودگی سے آتے ہیں۔» آلودگی غروب کو زیادہ نارنجی بنا سکتی ہے۔ لیکن صاف ہوا میں بھی لمبے راستے کی وجہ سے سورج پہلے ہی سرخ ہو جاتا ہے۔ بہت گھنا دھواں الٹا مدھم سورج بناتا ہے۔

«نیلی روشنی زیادہ مڑتی ہے، اس لیے نیچا سورج سرخ ہوتا ہے۔» انعطاف نیلی روشنی کو ذرا زیادہ موڑتا ہے، لیکن یہاں اس کا کوئی حقیقی کردار نہیں۔ نیلے کو ہٹانے والی چیز بکھراؤ ہے، مڑنا نہیں۔

سکرین پر آزمائیں

1. باری باری صاف دوپہر، سنہرا پہر اور غروب چنیں اور ہوائی کمیت اور بچی روشنی 680/440 nm کی سطریں دیکھیں۔ ہوائی کمیت تیزی سے بڑھتی ہے، اور براہ راست روشنی میں نیلے کا حصہ سرخ سے کہیں تیز گھٹتا ہے۔
2. دھند والا دن چنیں اور سورج کو ہاتھ سے نیچے لائیں۔ زیادہ دھند میں سورج کم سرخ ہوتا ہے اور غروب مدھم پڑتا ہے، جیسا دھند والے حصے میں ہے۔
3. بارش کے بعد اور پھر پیلی گرد چنیں۔ افق کے قریب کا آسمان اور دور کی پہاڑیاں ملا کر دیکھیں۔
4. مریخ پر دن اور مریخ پر غروب چنیں۔ دن کا آسمان بٹر اسکاچ رنگ کا ہے، اور ڈوبتے سورج کے گرد نیلی چمک صرف غروب پر ظاہر ہوتی ہے۔
5. آنکھ کی بلندی کو زمین سے طیارے کی کھڑکی اور کرۂ قائمہ سے چھلانگ تک بڑھائیں اور دیکھیں کہ سر کے اوپر کا آسمان نیلے سے گہرے نیلے اور پھر سیاہ میں کیسے بدلتا ہے۔
6. آنکھ کی حساسیت آن کریں اور آسمان کے منحنی کو آنکھ کے منحنی سے ملائیں۔