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天空為什么是藍(lán)的?我們認(rèn)為理所當(dāng)然的現(xiàn)象背后隱

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2023-02-26 03:30:01    作者:馮梓萁    瀏覽次數(shù):102
導(dǎo)讀

當(dāng)我們躺在草地上,微風(fēng)拂面,蔚藍(lán)的天空映入眼簾,身心感到放松時(shí),你有沒有想過,天空為什么是藍(lán)色的呢?為什么不是其他顏色,比如粉色、綠色呢?就是這我們已經(jīng)習(xí)以為常的自然現(xiàn)象,背后隱藏的物理規(guī)律卻并不簡單

當(dāng)我們躺在草地上,微風(fēng)拂面,蔚藍(lán)的天空映入眼簾,身心感到放松時(shí),你有沒有想過,天空為什么是藍(lán)色的呢?為什么不是其他顏色,比如粉色、綠色呢?

就是這我們已經(jīng)習(xí)以為常的自然現(xiàn)象,背后隱藏的物理規(guī)律卻并不簡單,說它不簡單,那是因?yàn)殛P(guān)于“天空為何藍(lán)色”的正確解釋,直到19世紀(jì)末20世紀(jì)初才由科學(xué)家給出了完善答案,要知道那時(shí)已經(jīng)距離牛頓開創(chuàng)經(jīng)典力學(xué)體系已經(jīng)過去了足足兩個(gè)多世紀(jì)。不過從科普文章的角度出發(fā),咱們只需要定性的了解這些規(guī)律即可,這樣來說,其實(shí)也不算復(fù)雜。

關(guān)于歷史上是誰第一個(gè)對天空為何是藍(lán)色做出相關(guān)解釋的(解釋并不需要正確),咱們已經(jīng)無從得知,但咱們可以先自己思考一下這個(gè)問題。

首先不管天空是什么顏色,前提都是空中的光子進(jìn)入我們的眼睛,從而讓我們看到了天空的狀態(tài),而這些光子是從哪里來的呢?

要知道大氣層是不可能自己發(fā)光的(應(yīng)該說在沒有外來物的情況下,不可能持續(xù)發(fā)出可見光),而這里的光子自然是太陽“送”過來的,但我們都知道太陽光是復(fù)合光,是因?yàn)榕nD利用三棱鏡發(fā)現(xiàn)了太陽光可以分解成多種顏色的光,因此天空的藍(lán)色是不是也因?yàn)樘炜罩写嬖谥愃迫忡R一樣的東西,將光分解了?

但仔細(xì)一想,這樣并不正確,太陽光經(jīng)過三棱鏡會分解成數(shù)種顏色的光,那是因?yàn)檎凵涞脑颍绻沁@樣,我們看到的天空不應(yīng)該只是單一的藍(lán)色,而是七彩斑斕的才對。如果不是折射的原因,難道是因?yàn)樗{(lán)色光在穿越大氣層的途中被“阻攔”了下來,導(dǎo)致它們無法抵達(dá)地面,只能在大氣層內(nèi)不斷的“游蕩”?

總的來講,這是一個(gè)光學(xué)現(xiàn)象,涉及光線穿越介質(zhì)時(shí)的情況,因此我們可以從相類似的丁達(dá)爾效應(yīng)說起。

關(guān)于這個(gè)效應(yīng),相信很多讀者朋友在學(xué)習(xí)中學(xué)化學(xué)時(shí)都有接觸,老師告訴我們,丁達(dá)爾效應(yīng)可以用來區(qū)分溶液和膠體,你只需要用一束光對準(zhǔn)要區(qū)分的液體,如果里面出現(xiàn)了一條光亮的通路,那就意味著這是膠體溶液。

丁達(dá)爾效應(yīng)是英國科學(xué)家約翰·丁達(dá)爾于1869年發(fā)現(xiàn)的,其背后的微觀解釋是因?yàn)槟z體溶液中存在大量直徑不超過100納米的小微粒,這些微粒的直徑小于可見光波長范圍,因此當(dāng)光線通過時(shí),就會發(fā)生散射的現(xiàn)象(如果微粒的直徑過大,比光波長還要大很多時(shí),就會出反射現(xiàn)象)

因此當(dāng)時(shí)的人們用丁達(dá)爾效應(yīng)用來解釋天空的顏色,認(rèn)為是由于大氣中存在大量的灰塵、小水滴、冰晶等眾多的小微粒,而太陽光在通過大氣時(shí),會不可避免的遇到這些微粒,將太陽光中的波長較短的藍(lán)色光散射到整個(gè)天空當(dāng)中,因此整個(gè)天空才會呈現(xiàn)藍(lán)色。

這種解釋看上去似乎并沒有什么問題,不過實(shí)際上在丁達(dá)爾效應(yīng)中,散射光的強(qiáng)度與入射光波長之間的關(guān)聯(lián)并不是很強(qiáng),雖然理論上還能說的過去,但放到現(xiàn)在來看,卻并不是正確答案,關(guān)鍵問題出在了“大氣中的灰塵、水滴等小微粒”這一點(diǎn)上。

我們知道,雖然空氣中含有類似于塵埃、水滴等小微粒是“理所當(dāng)然”的,但這些小微粒的濃度卻是一個(gè)變量,而濃度直接影響著散射程度,散射程度的不同又直接導(dǎo)致天空的顏色出現(xiàn)差異。

但實(shí)際上,草原上的天空和沙漠上的天空似乎沒有什么區(qū)別啊,這顯然與丁達(dá)爾效應(yīng)的解釋不一致。如果概括來講,就是丁達(dá)爾效應(yīng)解釋“天空為何是藍(lán)色”,它的結(jié)論應(yīng)該為:不同地區(qū)由于環(huán)境不一樣,因此天空的顏色差異會很明顯。

但實(shí)際上,這一點(diǎn)并不存在,那么天空到底為什么呈現(xiàn)藍(lán)色呢?

現(xiàn)在我們已經(jīng)能把大氣中的雜質(zhì)小微粒的影響排除了(至少不是主要原因),那么還有什么呢?思來想去,似乎就只有大氣本身了,難道是因?yàn)榇髿庵械母鞣N氣體分子嗎?

很幸運(yùn),我們的想法和著名物理學(xué)家約翰·威廉·斯特拉特走到一塊(也就是瑞利男爵,因此后人直接稱其為瑞利,這種叫法也體現(xiàn)在物理學(xué)家開爾文身上,實(shí)際上他的本名叫做威廉·湯姆遜)

在經(jīng)過仔細(xì)研究后,瑞利發(fā)現(xiàn),散射現(xiàn)象不僅僅會發(fā)生在雜質(zhì)微粒身上,對于單獨(dú)的原子或分子而言,散射現(xiàn)象同樣會發(fā)。這被稱為瑞利散射,一般來說,當(dāng)粒子的直徑遠(yuǎn)小于入射光波長時(shí)(不超過波長的十分之一),散射光的強(qiáng)度同入射光的頻率呈四次方正比關(guān)系(也即是和波長呈四次方反比),因此對于波長越短的光,散射就會越強(qiáng),如果以太陽光為例,那么位于可見光范圍內(nèi)的短波藍(lán)紫光就最容易被散射開。

那么對于非常純凈的大氣環(huán)境下,即便其內(nèi)部沒有懸浮的各種塵埃、冰晶等雜質(zhì)微粒,也會由于大氣分子的散射作用,而使得太陽光中的藍(lán)紫光被散射開,從而彌漫到整個(gè)大氣層,因此瑞利散射是天空呈現(xiàn)藍(lán)色的原因。

而日落時(shí)的夕陽正是這一理論的最好驗(yàn)證。

考慮到地球是一個(gè)球體,因?yàn)榘厍虻拇髿鈱涌梢钥醋鍪且粋€(gè)球殼,一般在每天正午左右,太陽位置達(dá)到每天的最高點(diǎn),此時(shí)太陽光從大氣層穿透到地面上時(shí),經(jīng)歷的大氣層厚度是一天當(dāng)中最短的;而到了日落(或者日出)時(shí),太陽光所經(jīng)歷的大氣層厚度是一天當(dāng)中最長的,關(guān)于這一點(diǎn)從下圖比較直觀的看出來

而穿過的距離越長則意味著更多的藍(lán)紫光被散射,于是最后只有偏紅的光抵達(dá)地面,這就是為什么在日落時(shí)的太陽呈現(xiàn)出咸鴨蛋黃的顏色,不過值得注意的是,這種紅色只在太陽附近出現(xiàn),而其余更大部分的天空,仍舊顯示藍(lán)色或者更暗的顏色(畢竟太陽要落山了,即將要進(jìn)入夜晚)

 
(文/馮梓萁)
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