למה הים כחול?

מה צבעו של הים? ככל הצבעים, גם צבעם של מקווי המים הגדולים בעולמנו הוא תולדה של אינטראקציות בין האור הנראה לחלקיקים בסביבה. כשהאור פוגע בחלקיקים באוויר, במים ובקרקע, מתרחשים תהליכים שונים: חלק מהאור מתפזר, חלק נבלע על ידי העצמים בהם הוא פוגע, וחלק מוחזר מהם. כתוצאה מכך אנו רואים חפצים כבעלי צבע מסוים, בהתאם לנסיבות.

האור הוא אוסף של גלים אלקטרומגנטיים המתקדמים במרחב. לגלי האור יש אורכים שונים, שמשפיעים על האינטראקציות שלהם עם סביבתם. מתוך כלל אורכי הגל של הקרינה האלקטרומגנטית, עינינו מסוגלות לקלוט רק טווח מצומצם יחסית של גלים, שאורכם נע בין 390 ננומטר (מיליארדיות המטר), שאנחנו מזהים בתור הצבע הסגול, לבין 780 ננומטר, שאנחנו רואים כאדום. כשכל הגלים בטווח האור הנראה נעים יחד באותו כיוון, האור נראה לבן. 

אנו רואים עצמים כשקרניים באורכי גל של האור הנראה מתקדמות בכיוון העיניים שלנו, פוגעות ברשתית ועוברות עיבוד נוסף במערכת הראיה. כשאורכי גל מסויימים נבלעים על ידי חומר, הם לא יגיעו לעינינו, ולא נראה את הצבע שאופייני להן. כצבע. אם חלק מהאור שנבלע ייצא מהחומר וימשיך להתקדם בכיוון הראייה שלנו, אנו נקלוט אותו כצבע. קרניים שאינן נבלעות על ידי החומר שנתקלו בו אך גם אינן עוברות דרכו, יכולות לשנות את כיוון ההתקדמות שלהן לכיוון מוגדר אחד (תופעת ההחזרה) או להתפזר ולהמשיך להתקדם במגוון כיוונים (תופעת הפיזור). בכל אותם מקרים, קרניים שבעקבות ההחזרה או הפיזור ינועו בכיוון הראיה שלנו, יקלטו על ידי העיניים שלנו ויעובדו על ידי מערכת הראיה לתמונה צבעונית.

כשהאור הלבן המגיע מהשמש נתקל באטמוספירת כדור הארץ, מולקולות הגז שבאוויר גורמות לקרני האור, שעד כה נעו יחדיו בכיוון אחד, להתפזר. עוצמת הפיזור תלויה בגודל המולקולות המפזרות, בזווית הפגיעה של האור ובמיוחד באורך הגל של גלי האור השונים. עוצמת הפיזור עומדת ביחס הפוך לאורך הגל, כך שככל שאורך הגל קצר יותר, עוצמת הפיזור גדלה. לכן כאשר האור הנראה פוגע במולקולות שבאוויר, האור הכחול והסגול יפוזרו בעוצמה רבה יותר משאר אורכי הגל של האור הנראה, ויגיעו לעיננו כשאנחנו מסתכלים אל השמיים נטולי העננים.

הים והעין

אם כך, מדוע השמיים אינם סגולים, שכן אורך הגל הסגול קצר מהכחול? הסיבה לכך היא מבנה העין האנושית, ובפרט מבנה הרשתית.

הרשתית מכילה שני סוגים של קולטני אור, שאחד מהם – המדוכים – הוא זה שאחראי על ראיית צבע. רוב המדוכים רגישים דווקא לאורכי גל ארוכים, כמו אלו שאנו מזהים כאדומים וצהובים. בתנאים מסוימים, המדוכים יכולים לפרש קרינות שונות כאותו צבע. לדוגמה, הם יפרשו קרינה כ"צהוב" גם בחשיפה לאורך גל צהוב "נקי" וגם בחשיפה לשילוב כלשהו של קרינה אדומה וירוקה. התופעה נקראת Rayleigh match, או בעברית - זיווג ריילי.

צבע השמיים הוא דוגמה לזיווג ריילי. השמיים מקבלים את צבעם הכחול בגלל תערובת של אור לבן מהשמש ואור כחול קצר-גל (באורך גל של 474-476 ננומטר). העין האנושית מפרשת את תערובת אורכי הגל הללו, שהם בעיקר כחולים וסגולים, כצבע כחול לא רווי (כלומר, כחול שאינו צבע מלא ועז כמו של עצם כחול טהור). כשהאור ממשיך לנוע ומגיע לפני הים, הוא עובר פיזור נוסף כשהוא פוגע במולקולות המים ובחומרים המומסים במים. בדומה למתרחש באטמוספרה, פיזור האור נותן "עדיפות" לגלים הקצרים של הצבע הכחול.

אל תסתכלו בים אלא במה שיש בתוכו

בנוסף, חלק מאורכי הגל האחרים נבלעים במידה מסוימת על ידי מולקולות המים וחלקיקים אחרים. הבליעה הזאת גורמת לכך שלא נראה אותם, אלא רק את אלה שלא נבלעו, ושחזרו לכיוון העין. אורכי הגל הנבלעים במי הים הם הארוכים, כך ששוב נראה את הגוונים הכחולים הקצרים יותר. ולבסוף, צבע המים מושפע מאוד גם מההרכב שלהם: ריכוז גבוה של אצות ופיטופלנקטון יוסיף גוון ירוק, מים שקלטו זיהומי קרקע או ביוב יקבלו גוונים כהים ועוד.

אם כן, הצבע הכחול של הים נובע בעיקר מפיזור האור המגיע מהשמש כשהוא פוגע בחלקיקי האטמוספרה ובמולקולות המים. בפיזור הזה יש עדיפות לגוונים הכחולים על פני שאר צבעי האור. כמו כן, המים עצמם בולעים גוונים אחרים ומשאירים בעיקר את הצבע הכחול.