לאחר כמה ימים רצופים של גשם נוצרים לרוב תנאי ראות מצוינים. תנאי הראות שהיו בסוף ינואר אף אִפשרו לרבים לצלם את החרמון המושלג ממרחק רב. באחד הצילומים צולם הר החרמון ממטוס שטס בסביבת ים המלח – מרחק של כ־200 ק"מ משם! גודלם של החלקיקים שבאטמוספרה הוא המשפיע על תנאי הראות.

האור הנראה הוא חלק מספקטרום הקרינה האלקטרומגנטית [1]. מכיוון שהאור הוא תופעה גלית, אפשר למדוד את אורכי הגל של קרני האור. אורך הגל, כלומר המרחק בין שני שיאים סמוכים של הגל, הוא הקובע את צבע האור. האור הנראה מכיל את כל אורכי הגל בטווח שבין 400 ננומטרים (הקצה הכחול־סגול של הספקטרום הנראה) ובין 700 ננומטרים (הקצה האדום של הספקטרום הנראה). נזכיר כי ננומטר אחד הוא יחידת אורך קטנה ביותר השווה למיליארדית המטר. 

איור של הספקטרום האלקטרומגנטי ושל מיקומו של תחום האור הנראה עליו. אפשר לראות כיצד משתנים אורכי הגל על גבי הספקטרום: אור הנוטה לצבע האדום יהיה בעל אורכי גל ארוכים יותר מאור הנוטה לצבע הכחול (האיור מתוך אתר SERC).

היות שאור השמש עובר דרך האטמוספרה ומוחזר מן הנוף, אנו מעוניינים להבין כיצד החלקיקים המצויים באטמוספרה משפיעים על האור. לשם כך עלינו למצוא תכונה המאפשרת להשוות בין החלקיקים לאור. מכיוון  שאורך הגל הוא הגודל הפיזיקלי המאפיין את הקרינה האלקטרומגנטית, נרצה למצוא גודל פיזיקלי דומה המתאים לחלקיקים שבאטמוספרה. לדוגמה, קוטרם של החלקיקים. כעת יש לנו שני גדלים הנמדדים באותן  יחידות אורך (ננומטרים). לכן נוכל לשאול מה קורה כאשר אורך גל קטן מקוטר החלקיקים המצויים באטמוספרה, שווה לו או גדול ממנו. 

נתחיל ממצב שבו קוטר החלקיקים קטן בהרבה מאורך הגל. מצב זה מתאים למולקולות חמצן, חנקן וגזים אחרים, אשר קוטרן נאמד בעשיריות הננומטר [2], והן עיקר האטמוספרה. כאשר אורך הגל גדול בהרבה מקוטר המולקולות, השדה האלקטרומגנטי של הגל יהיה זהה בכל נקודה על פני המולקולה. כל מולקולה מכילה כידוע אלקטרונים בעלי מטען שלילי וגרעיני אטומים בעלי מטען חיובי. ההפרדה בין המטען החיובי במולקולה למטען השלילי שבה יוצרת תופעה הנקראת דו־קוטב (דיפול חשמלי) [3]. מכיוון שהשדה החשמלי של האור משתנה מחזורית לפי תדירות השינוי של הגל, ישתנה גם הקיטוב במולקולה כתלות בזמן. כשמטען חשמלי נע ומשנה את כיוונו במרחב, הוא פולט קרינה. על כן כל דו־קוטב שכזה משמש מעין אנטנה הפולטת קרינה בחזרה לסביבה. כמות הקרינה הנפלטת תלויה מאוד באורך הגל: באורכי גל קצרים תיפלט קרינה רבה יותר מאורכי גל ארוכים. מכאן שאורכי גל קצרים יתפזרו הרבה יותר מאורכי גל ארוכים. הואיל ואורכי גל כחולים קצרים יותר מאורכי גל אדומים, אור כחול יתפזר הרבה יותר מאור אדום. פיזור זה, הנקרא גם "פיזור ריילי" (Rayleigh Scattering) [4]  על שם הלורד ריילי (Lord Rayleigh) [5] שהסביר את התופעה, מסביר מדוע השמיים כחולים. לכן אם השמיים נראים כחולים במיוחד, נוכל להסיק כי תנאי הראות באותו יום יהיו טובים.

כעת נעבור למצב שבו קוטר החלקיקים שווה לאורך הגל או גדול ממנו בהרבה. במצב זה יהיה שינוי בשדה החשמלי בתוך נפח החלקיק. לפיכך קשה מאוד לתאר במדויק את חלוקת המטען החשמלי בחלקיק הגדול. פתרון פשוט יותר הוא לדמיין את החלקיק בתור כדור בעל תכונות פיזיקליות אחידות (הומוגניות). במקרה כזה פיזור הקרינה מן החלקיקים כמעט שלא יהיה תלוי באורך הגל, כלומר אורכי גל שונים זה מזה יתפזרו באופן שווה. פיזור זה נקרא גם "פיזור מי" (Mie Scattering) [6] על שם הפיזיקאי הגרמני גוסטב מי (Gustav Mie) [7] . פיזור מי מסביר מדוע שמיים המכילים חלקיקי אבק ופיח יהיו בעלי גוון "חלבי" יותר ולא בצבע כחול. הלוא חלקיקי אבק ופיח גדולים בהרבה מאורך הגל, ולכן האור יתפזר לכל הכיוונים ללא תלות באורך הגל, והראות תהיה מוגבלת.

גשם רב נוטה "לנקות" את האוויר מן החלקיקים הגדולים. לרוב לאחר הגשם תשתפר הראות מאוד עקב ההקטנה של פיזור מי, וכך נוכל לצלם תמונות יפות!

תודה ל"סימפלקס פתרונות מיפוי" על צילומי האוויר.

מקורות והרחבות:

[1] על גלים אלקטרומגנטיים 

[2] מידע על מולקולת החנקן 

[3] הסבר על דו־קוטב (דיפול חשמלי) 

[4] עוד על פיזור ריילי

[5] עוד על הלורד ריילי

[6] עוד על פיזור מי

[7] עוד על גוסטב מי