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天空为什么是蓝色的?
波长,天空,蓝色天空为什么是蓝色的?
发布时间:2016-12-08加入收藏来源:互联网点击:
回答于 2019-09-11 08:43:50
天空就像上帝的画布:白天,天空被染成了蓝色,傍晚,天空被染成了红色,而下雨前,天空又被染成了灰色…对于一天内的天空颜色变化,相信大家都习以为常了。那么,你有没有思考过这么一个问题:天空为什么是蓝色的呢?白云为什么是白色的?朝霞和晚霞为什么是火红火红的呢?
关于这些问题,比较简单的回答就是太阳光透过空气入射到人的眼睛的过程中,空气中的杂质改变了光的颜色表现,从而形成了蓝天、白云、火烧云等五彩斑斓的世界。但是要从科学的角度详细解释这个问题,我们需要了解一下太阳光和空气的相关知识,有了这方面的了解,我们再去解释天空的颜色变化就容易理解的多了。
天空的奥秘
首先,我们来解锁一下天空的奥秘。天空是由各种气体组成的空气所构成,空气对于地球来说就像一层“保护罩”, 保护着地球上生物不受紫外线的高强度照射,如果没有了这一层保护罩,地球上的生物不仅会得各种皮肤病,而且地球也根本没办法滋生这么多生命。
空气并不是空的,是由气体和各种微小的颗粒组成。空气的组成中99%是氮气和氧气,其余是二氧化碳和惰性气体等。空气中的杂质来源很多,水蒸气、扬尘、汽车尾气、工厂排气、以及各种空气中的微生物。正因为有了这些杂质,本来无色无味的水汽能借助这些介质以雾的形式展现在人的眼前,阳光也会以不同的颜色照射到大地上。
太阳光的奥秘
广义来讲,太阳光是指来自太阳的所有频谱的电磁辐射,而它传播的速度极快,约为每秒30万公里。光具有波粒二象性,光的波粒二象性简单说就是光既具有波动特性,又具有粒子特性。
光传递能量的大小与光的频率成正比,而频率决定了光的颜色。我们知道,光有赤、橙、黄、绿、蓝、靛、紫7种颜色,用我们小时候玩的三棱镜对准太阳光时就会看到这五彩斑斓的颜色。太阳光的颜色有7种,但我们的眼睛只能看到其中特定频率范围内的光,称之为可见光。下图是一束光经过三棱镜后折射出的7种颜色。
不同颜色对应的波长和频率如下:
红色:波长约625—740纳米,频率约480—405兆赫;
橙色:波长约590—625纳米,频率约510—480兆赫;
黄色:波长约565—570纳米,频率约530—510兆赫;
绿色:波长约500—565纳米,频率约600—530兆赫;
青色:波长约485—500纳米,频率约620—600兆赫;
蓝色:波长约440—485纳米,频率约680—620兆赫;
紫色:波长约380—440纳米,频率约790—680兆赫;
通过上述数据我们看到,紫色光的频率最高、波长最短,红色光的频率最低、波长最长,但是这两种光因为波长过长和过短,我们用肉眼是看不见的。
既然阳光有这么多颜色,为什么天空却只是蓝色的呢?
我们知道,光都是以直线传播的,但这仅局限于在没有外界物质干扰的情况下。在实际环境中,当光传播时不可避免要遇到空气中的水蒸气和其他微粒。在这些颗粒的阻挡下,波长较长的光(红色光、橙色光等)可以从这些颗粒上直接跨越过去,没有向四面折射。但是波长较短的光(蓝色光和紫色光)就没有这么强势了,它们因为波长太短无法跨越过去,被这些颗粒反射或折射成了各个方向的散光,发散的到处都是,这样一来,天空就被散射成了蓝色。
这个原理可以用更加形象的现象进行描述,我们把空气中的颗粒当成水中的小石块,把阳光的传播当成水面上的波浪。当一个物体砸落到水面上时, 就会产生一层层的涟漪,这些波浪就会向四周扩散。这时候,如果扩散中的波浪(阳光)碰上一块小石块(空气中的颗粒)的话,大波浪(波长较长的光)就会直接从小石块上溢过去,而小波浪(波长较短的光)会被石块打乱。
所以在光的传播过程中, “小波浪” ( 波长短) 的蓝色光和紫色光因为翻不过去那些障碍,被“散射”得到处都是, 布满整个天空,这样一来,天空就变成了蓝色的了。
在上面的解释中,我们定性的描述了不同波长的光在碰到颗粒时会引发不同的反应,而其中定量的描述,是由英国物理学家瑞利发现的。瑞利通过实验发现:光的散射强度与波长的4次方成反比,为表彰瑞利的这一特殊贡献,科学家称这种现象为“瑞利散射”。
这一现象可以用下面的实验进行验证:假设装水容器的左侧有一光源S,当光源S发出的光束射到装满水的透明容器上,当容器内倒入豆浆等液体使其变浑浊后,阳光在穿过容器时就会发生散射。人从垂直于光的传播路径的方向( 图中的Y方向) 观察时,散射光是青蓝色的,说明此入射光中含较多的短波,当人从正对着入射光的方向(图中的X方向) 观察时,通过容器的光是红色的。
下图是实验原理图。
上面我们讲到,光的散射强度与波长的4次方成反比,其实,这是有前提条件的,前提就是微粒的直径小于可见光的波长。按照反比关系,阳光在穿越大气时,阳光中波长比较长的红光的散射强度最小,因此大部分能够直接透过大气中的杂质投向地面。而波长较短的蓝色、紫色光因为波长短,散射强度大而被颗粒散射在空中。按照计算和试验数据表明,当一束光穿过大气层时,被空气中的微粒散射的蓝光和紫光约比红光多5至6倍。
既然越短波长的光散射越强,为什么天空不是紫色的?
上面我们说到,蓝色光和紫色光因为波长较短被颗粒散射,但紫色光的波长比蓝色光的波长更短,为什么天空是蓝色的而不是紫色的呢?
原来,空气分子对所有光的吸收能力是不同的,而蓝色和紫色光中,空气分子对紫色光的吸收能力更强一些,紫色光被永久留在了那里,这才有了天空的蓝色。另外,我们眼睛所能看到的蓝色与我们特殊的眼睛结构也有关系。
我们人类的眼睛有三种接收器,分别是红椎体、绿椎体和蓝椎体。当一束同样强度的光进入我们的眼睛时,接收器会根据受到刺激的强弱来对这些光进行二次加工,然后再被送入大脑的感知皮层。当紫色光和蓝色光进入眼睛时,红锥体和绿锥体对蓝色和紫色光的感知能力较弱,而蓝锥体对蓝光的感知能力很强,这样综合下来,蓝色被送入了大脑皮层,而紫色也就被无情的筛掉了。怎么样,咱们的眼睛是不是一个天然的“有色眼镜”呢?
清晨日出或傍晚日落时, 为什么看到的天空呈红色?
这是因为清晨和傍晚时,太阳光几乎平行于地平面,阳光到达人眼睛中时需要穿过的大气层的厚度最厚,路上穿过的空气分子和其他杂质也更多,阳光这一段漫长的路上经历了太多粒子的折射、散射,波长较短的蓝光和紫光被逐渐消散(这一现象也解释了在大雾天时,天空看起来是白茫茫的一片,而不是蓝色的)。波长较长的红光因为能跨越这些粒子而到达人的眼睛位置,这样一来,人眼中的天空就是红色的了。怎么样,了解了阳光的波粒二象性后,眼前的晚霞是不是更美妙了呢。
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