برف یکی از رایج ترین پدیده های طبیعی در مناطق سردسیر زمین است و تقریباً همه آن را به رنگ سفید می شناسند. این در حالی است که برف از آب تشکیل شده و آب در حالت مایع یا یخِ فشرده، شفاف به نظر می رسد. پرسش اصلی اینجاست که چرا تغییر حالت آب به برف، باعث می شود رنگ آن سفید دیده شود؟ پاسخ این سؤال در فیزیک نور، ساختار بلورهای یخ و نحوه پراکندگی نور نهفته است.

برف از مولکول های آب (H₂O) تشکیل شده است. از نظر شیمیایی، هیچ تفاوتی میان آب مایع، یخ و برف وجود ندارد. مولکول های تشکیل دهنده در همه این حالت ها یکسان اند. بنابراین رنگ سفید برف نمی تواند ناشی از ترکیب شیمیایی آن باشد، بلکه باید به ویژگی های فیزیکی آن مربوط باشد.

برف از بلورهای یخ بسیار کوچک تشکیل شده است. هر دانه برف دارای ساختاری پیچیده، چندوجهی و نامنظم است. این بلورها هنگام تشکیل در ابرها، به صورت شش ضلعی رشد می کنند و با سقوط به زمین، به صورت مجموعه ای از بلورهای متصل به هم انباشته می شوند.

در توده برف، بین بلورهای یخ مقدار زیادی هوای به دام افتاده وجود دارد. این ترکیب یخ + هوا باعث ایجاد تعداد بسیار زیادی مرز بین دو محیط با ضریب شکست متفاوت می شود، که نقش اساسی در رفتار نور دارد.

نور خورشید شامل طیفی از طول موج های مختلف است که مجموع آن ها نور سفید را تشکیل می دهد. زمانی که نور به سطح برف برخورد می کند، وارد شبکه ای پیچیده از بلورهای یخ و حفره های هوایی می شود. در هر مرز بین هوا و یخ، بخشی از نور بازتاب و بخشی دیگر شکسته می شود.

این فرایند بارها و بارها درون توده ی برف تکرار می شود. در نتیجه، نور به جای عبور مستقیم، در جهات مختلف پراکنده می شود. این پدیده در فیزیک با عنوان پراکندگی چندگانه شناخته می شود.

ویژگی کلیدی برف این است که تقریباً همه طول موج های نور مریی را به یک اندازه پراکنده و بازتاب می کند. هیچ رنگی به طور قابل توجهی بیشتر از رنگ های دیگر جذب نمی شود. وقتی همه رنگ ها با شدت تقریباً برابر به چشم انسان بازگردند، مغز آن را به صورت رنگ سفید تفسیر می کند.

به همین دلیل، برف تازه و تمیز معمولاً بسیار روشن و سفید دیده می شود. این موضوع مشابه رفتاری است که در مواد دیگری مانند نمک، شکر یا ابرها نیز مشاهده می شود.

یخ فشرده و شفاف، مانند یخ موجود در یک قالب یخ یا یخ دریاچه های یخ زده، ساختار یکنواخت تری دارد. در این حالت، مرزهای داخلی کمتری برای پراکندگی نور وجود دارد و نور می تواند تا حد زیادی بدون انحراف عبور کند. به همین دلیل یخ شفاف دیده می شود.

اما در برف، به علت وجود بلورهای مجزا، زوایای متعدد و هوای محبوس شده، نور به شدت پراکنده می شود و امکان عبور مستقیم آن کاهش می یابد.

اگرچه برف معمولاً سفید است، اما در شرایط خاص می تواند رنگ های دیگری به خود بگیرد:

این تغییر رنگ ها به عوامل خارجی مربوط هستند و به ماهیت اصلی برف ارتباطی ندارند.

چشم انسان رنگ ها را بر اساس نور بازتاب شده تشخیص می دهد. رنگ سفید زمانی دیده می شود که همه گیرنده های نوری چشم (مخروطی ها) تقریباً به یک اندازه تحریک شوند. از آنجا که برف بیشتر نور مریی را بدون ترجیح رنگی خاص بازمی تاباند، سیستم بینایی آن را سفید تشخیص می دهد.

به همین دلیل، در نور غروب یا طلوع خورشید، که ترکیب طیفی نور تغییر می کند، برف ممکن است صورتی، نارنجی یا زرد دیده شود، بدون آنکه ویژگی فیزیکی آن تغییر کرده باشد.

برف نه به دلیل ترکیب شیمیایی متفاوت، بلکه به علت ساختار فیزیکی ویژه آن که شامل بلورهای یخ متعدد و هوای محبوس میان آن هاست سفید دیده می شود. این ساختار باعث پراکندگی چندگانه نور خورشید و بازتاب تقریباً یکنواخت همه طول موج های نور مریی می شود. از آنجا که هیچ رنگی به طور غالب جذب نمی شود، نور بازتاب شده به صورت سفید توسط سیستم بینایی انسان درک می شود. بنابراین، سفیدی برف نتیجه مستقیم تعامل نور با ریزساختار یخ است و نمونه ای روشن از نقش فیزیک نور در پدیده های طبیعی روزمره به شمار می آید.