天空为什么是蓝色的

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万里无云的蓝天是蓝色的,那是因为在空气中分子散射太阳光线当中蓝色部分的能力高于其散射红色光线的能力。日暮时分我们看到落日呈现红色与橘黄色,这是因为蓝色光被散射并且朝着视线以外的方向传播。 太阳发出的白色光包含了彩虹色的所有颜色。牛顿利用多棱镜分离得到了不同的颜色并制成色谱证明了这一点。不同颜色光线具有不同的光波的波长。可见光色谱范围跨越最长720nm的红光到最短的380nm的紫光,其中包含橘黄,黄,绿,蓝和靛蓝的光波波长。人眼视网膜上的色彩接收器对于红绿蓝三种颜色有较强的接收能力,三种颜色的组合形成了人眼的色觉。 1.丁达尔效应 丁达尔在1859年提出的丁达尔效应奠定了我们能够正确解释天空颜色的最初几步。他发现,当光线通过具有小微粒的透明悬浮液的时,光波较短的蓝色光线比红色光线具有更强的散射现象。当一束白色光线入射到盛有肥皂水或者牛奶与水的水箱当中。从水箱的侧面看去,可以观察到光柱在途中产生了蓝光散射的现象,在光柱出射端,光线在经过水箱之后变成了红色。光线的偏振极化现象也可以通过偏振滤光片来观察,其道理可类比于我们戴上偏光太阳眼镜后可以看到颜色加深的深蓝色的天空。 图解:建筑物的反射光由于霾而被散射 我们把如上现象称为丁达尔效应,对于物理学家来说他们也把这种现象称作瑞利散射,以为散射现象做出详细解释的瑞利男爵的名字命名。瑞利男爵发现,在存在充分散射粒子的前提下,散射光线的量与光波长的四次方成反比。由此推知,蓝光的散射量是红光的(700/400)4 ~= 10倍。 2.尘埃还是分子? 丁达尔与瑞利原本认为天空呈现的蓝色与大气层当中的灰尘或者水蒸气的小颗粒对光线的散射有关系。甚至今日,也有人会错误地用这两种原理来解释天呈现的蓝颜色。科学家们后来了解到,如果这种理论是正确的,那么我们可以推理得到的当天空当中的湿度上升或者有云雾的天气条件下,天空的颜色应该由于散射而呈现出五彩缤纷的颜色的错误结论,因此科学家们认定散射的粒子主要是空气中的氧气分子和氮气分子,而非空气中的尘埃。在1911年爱因斯坦首次论证了空气分子散射光线的理论,他通过方程式计算了分子对于光线的散射,其理论计算数值与实际实验结果吻合,甚至能够通过提出的方程式比照观察得到的结论来验证阿伏伽德罗常数。这些分子能够散射光的原因在于光线的电磁场诱发了分子当中的电磁距的变化与排列。 3.为什么不是紫外线光? 如果短波的光波能够具有更强烈的散射,那么天空为什么没有呈现出最短波长的可见光——紫光的颜色?太阳辐射的光线在每个波长之上分布并不是均匀的,并且高空大气层可以吸收一部分散射光线,因此在光线中紫色的散射光线部分就更少了。我们的眼睛对于紫光是不敏感的。尽管这可能是答案的一部分,然而彩虹中折射的光线让我们看到在可见光部分中靛蓝和紫光的比例是超过蓝光的。答案的另外一部分就在于我们视觉的工作原理。在我们的视网膜或者视网膜锥中,有三种颜色的接收器。这些接收器由于分别对三种波长的光波接收能力明显而被命名为红,蓝和绿感光光锥。随着这三种光锥接收三种颜色光比例的变化,我们的视觉系统构建了我们可以见到的光的颜色。 当我们仰望天空时,红色光锥能够识别出小剂量的散射红光,然而对橘黄和黄色的光波的接收能力就要弱一些。绿色感光光锥可以识别出黄色和更加强烈散射的绿光和绿蓝色光波。蓝色光锥可以接收蓝色光波附近的光线,这些光线是具有强烈散射的。被最强烈散射的靛蓝光线与紫光可以被蓝光感光光锥以及红光感光光锥接收,因此我们视觉上看到了蓝紫色并且带有红色光晕。总体而言,红色和绿色光锥接收到类似的散射光线,而蓝色光锥接受到更大量的散射光线。这种组合可以解释我们看到的天空为何呈现出苍蓝色。我们的视觉将天空调整看成纯色色相并不是巧合。我们为了适应周围的环境而进化,能够将自然界中的颜色清楚分辨的视觉是一种生存优势。 4.日暮时分 当空气澄净的时候,日落的颜色呈现为黄色,因为太阳光线在大气中长距离传播而损失掉了大部分的蓝色散射光线。假如空气中有一些污染小颗粒,日落更多的呈现红色。在海边看到的日落,由于空气中的盐颗粒的丁达尔散射而呈现橘黄色。 太阳附近的天空更多呈现红色,随着太阳直射入空气中的光线。这是由于所有散射光线都会由于散射而改变一个小的角度,但是蓝光在长程散射中,其散射角可以是其他光线的两倍或更多,剩余呈现出黄,红,橙色。 5.蓝色雾霭与蓝月亮 云和雾霭呈现出白色,因为他们包含着比光波波长更大尺寸的粒子,此时所有波长的光可以得到相同的散射(米氏散射)。但是有时在空气中存在着比空气更小的粒子。有些山区以蓝色雾霭而闻名。山区内植被与大气中的臭氧层反应,产生含有萜烯的气溶胶形成粒径200nm左右的粒子,这些粒子可以散射蓝光。森林大火或者是火山喷发可以给大气层中填满500-800nm的微粒,恰好可以散射红光。这些现象产生了与丁达尔效应相反的现象,导致红色光线的散射损失而使得月亮具有一圈蓝色的光晕。这种现象很稀罕,也被称为蓝月亮现象。 6.乳白光 丁达尔效应可以解释自然界中一些物体颜色的起因: 例如蓝色瞳孔,乳白色的宝石,还有蓝色知更鸟的羽翼。这些颜色可以根据散射粒子的大小而变化。当一种流体在临界温度和压强的条件下,细微的密度波动可以导致蓝色光晕的产生,也称为临界乳光现象。人们利用这种原理植被了具有装饰效果的眼镜,可以通过表面的微粒形成蓝色光辉。但是并不是所有自然界的蓝色都是由光线的散射产生的。海洋呈现蓝色是因为深度20米的海水吸收了长波光线。从海岸上看过去,海水同时也反射了天空的颜色所以呈现蓝色。一些鸟类和蝴蝶通过光线的衍射呈现蓝色。 7.为什么火星的天空是红色的 1977年海盗号火星探测航天器和1997年火星探路者传回的图像来看,火星表面呈现红色的天空。这是因为富含铁元素的尘埃在大气中时不时出现的原因。火星天空的颜色会随着天气情况而不断改变。当天空中没有云团时,火星天空呈现蓝色,但是由于火星大气层更加稀薄这种蓝色相对地球天空的蓝色更加深一些。 参考资料 1.WJ百科全书 2.天文学名词 3.math-ajisai 如有相关内容侵权,请于三十日以内联系作者删除 转载还请取得授权,并注意保持完整性和注明出处

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