Rayleigh saçılması

Rayleigh saçılımı, ışığın veya diğer elektromanyetik radyasyonun, ışığın dalga boyundan daha küçük tanecikler tarafından saçılımını ifade eder. Bu isim, İngiliz fizikçi Lord Rayleigh'ın adına ithafen verilmiştir.
Işık, saydam katı veya sıvıların içinden geçtiğinde de meydana gelse de en çok gazlarda gözlenir. Gökyüzünün mavi görünmesinin temel nedeni, açık atmosferde güneş ışığının Rayleigh saçılımına uğramasıdır.
Rayleigh saçılımını ortaya atan bilim adamı Lord Rayleigh ilk olarak gaz moleküllerini incelemiştir. Lord Rayleigh, Rayleigh saçılımında artı ve eksi yüklerin ışık dalgasından geçerek dağıldıklarını ve titreşmeye başladıklarını görmüş ve bu konuda araştırmalar yapmaya başlamıştır. Bu titreşmeler bir ışık kazanımıyla sonuçlanır. Titreşmeyi oluşturan dalga kendine has bir yolda yayılırsa da, molekülün saldığı ışık, hemen hemen bütün doğrultularda ışınlanmaya başlar.
Lord Rayleigh araştırmaları sonucunda, ışık saçılımının derecesinin ona çarpan ışık saçılımlarının dalga boylarına göre değiştiğini ortaya atmıştır. Buradan da uzun dalga boylu ışık kısa dalga boylu ışığa göre daha az saçılım gösterir.
Bu yasaya göre;  dalga boyuna oranla küçük parçacıkların saçılıma uğrattığı ışığın şiddeti dalgaboyunun dördüncü kuvveti ile arasında ters bir bağıntı vardır.
Işık dalgaları moleküllere çarptıklarında saçılırlar fakat hepsi aynı oranda saçılmaz. Mavi ışık diğer renklere göre daha fazla saçılım gösterir. Bu nedenle gündüzleri gökyüzü mavi görünür.
Güneş ışığı'nın atmosferdeki Rayleigh dağılımı, yayılmış gökyüzü radyasyonuna yol açar, bu da gökyüzünün mavi, güneşinse sarı olmasının sebebidir.
Işığın dalgaboyuna yakın veya daha küçük parçacıklar tarafından dağılması, soyut dipol tahmini ve diğer bilişimsel teknikler ve Mie teorisi ’nde işlenir. Rayleigh dağılımı, ışık dalgaboyuna göre küçük ve optik olarak "zayıf" (diğer bir deyişle kırıcılık endeksi 1’e yakın) olan parçacıklar için geçerlidir. Diğer yandan, Anormal Sapma Teorisi optik olarak zayıf fakat daha büyük boyutta parçacıklarla ilgilenir.

Gökyüzünün mavi renginin sebebi

Güneşten gelen ışığın bir kısmı atmosferde moleküllerden ve diğer küçük parçacıklardan saçılır. Gökyüzüne parlaklığını ve rengini veren bu saçılan ışıktır. Daha önce açıklandığı gibi, Rayleigh dağılımı dalgaboyunun dördüncü kuvvetiyle ters orantılıdır, bu yüzden kısa dalgaboyunda olan mor ve mavi ışık uzun dalgaboyundaki sarı ve özellikle kırmızı ışıktan daha fazla saçılır. Ortaya çıkan renk, soluk mavi, aslında tüm saçılan renklerin, temel olarak mavi ve yeşilin, bir ortalamasıdır. Mor ışık, yüksek oranda saçılsa da, solar spektrumun küçük bir bileşeni olduğundan insan gözüyle verimli olarak algılanamaz. Bunun tersine, güneşe direk bakıldığında, dağılıma uğramayan renkler - uzun dalgaboyundaki kırmızı ve sarı ışık – görülebilir, bu da güneşe sarımsı bir ton verir. Uzaydan bakıldığında ise gökyüzü siyah ve güneş beyazdır.
Güneş ufkun yakınındayken ışığının kırmızılaşması daha yoğundur, çünkü ışığın içinden geçmesi gereken havanın hacmi, güneşin tepede olduğu zamankinden daha çoktur. Bu yüzden Rayleigh efekti artar, gözlemciye ulaşırken tüm mavi ışık yok olur. Geriye kalan dağılıma uğramamış ışık ise daha çok uzun dalgaboyunda olduğundan turuncu görünür.
Rayleigh dağılımı temel olarak ışığın havadaki moleküllerle etkileşimiyle olur. Tamamen ‘optik’ ve makroskobik bir açıdan söylersek, mavi gökyüzü mikroskobik yoğunluk dalgalanmalarından ileri gelir, bu dalgalanma ise havayı oluşturan moleküllerin rastgele hareketi ile meydana gelir. Daha yoğun veya daha az yoğun bir bölgenin kırıcılık endeksi çevresinden hafifçe farklıdır, bu yüzden ışığı rastgele yönlerde dağıtan kısa ömürlü bir parçacık gibi davranır. Daha küçük bölgeler büyük bölgelere göre daha fazla dalgalanma gösterdiğinden kısa dalgaboyları uzun dalgaboylarına göre daha çok etkilenir ve daha çok dağılıma uğrar.
Dağılımın bir kısmı sülfat parçacıkları tarafından gerçekleştirilebilir. Büyük Plinian patlamalarından (en:Plinian eruption) yıllar sonra gökyüzünün mavi rengi stratosferik gazların sülfat yüklenmesi sonucu bilhassa daha açık renk olmuştur.
Işık kirliliğinin az olduğu bölgelerde ayışığının olduğu gecelerde de gökyüzü mavidir, çünkü aydan gelen ışık, ayın kahverengimsi renginden dolayı biraz daha düşük renk sıcaklığı olan, güneş ışığının yansımasıdır. Fakat ayışığı olan gökyüzü mavi olarak algılanmaz, çünkü düşük ışık seviyesinde insan görüşü temel olarak çubuk hücrelerinden gelir, ki bu da renk algısı yaratmaz.

Gözenekli materyallerde

λ⁻⁴ Rayleigh-tipi dağılım aynı zamanda gözenekli materyallerde görülür. Nanogözenekli materyallerde güçlü optik saçılma örnek olarak verilebilir. Katılaştırılmış alüminyumdaki gözenek ve katı kısımlar arasındaki yüksek kırıcılık farkı, ışığın ortalama her 5 mikrometrede tamamen yön değiştirmesine yol açan çok yüksek bir saçılıma sebep olur. λ⁻⁴-tipi dağılım aluminyum tozunun katılaştırılmasıyla elde edilen nanogözenekli yapıdan (70 nm civarında dar gözenekli yapı) kaynaklanır.