“藍藍的天空白云飄”.對這種美麗的景色,相信大家都有所感受.那么天空為什么是藍色的?云為什么是白色的?對于這種奇妙的物理現(xiàn)象,并不是所有人都能說出原因.事實上,我們所觀賞的這一美麗景象是天空中的大氣分子、水滴、其他微粒和陽光共同作用的結(jié)果.
一、空氣和太陽光
為了解釋這種物理現(xiàn)象,首先簡單了解一些空氣和太陽光的知識.空氣是在地球外面包裹著的一層“防彈衣”,保護著地球上生物不受紫外線的照射.空氣并不是空的,是由很多的微粒組成.其中99％是氮氣和氧氣,其余則是別的氣體(如二氧化碳、惰性氣體等)、小水滴和來源于工廠的粉塵、風中的揚沙、火山爆發(fā)的巖灰等漂浮微粒.但是空氣的成分并不是固定的,這依賴于所在的位置、天氣和其他的不固定因素(如森林、海洋以及火山爆發(fā)和污染的嚴重與否).
光是能量以電磁波傳播的一種方式,在真空中的傳播速度為每秒30萬千米.光和其他波(比如聲波)不同的是具有波粒二象性.這是因為光是由一種無質(zhì)量的粒子——光子組成,所以光不但具有波的特性,還有粒子的特性.光傳遞能量的大小與光的頻率成正比,而光的頻率正好決定其顏色.但我們的眼睛只能看到其中特定頻率范圍內(nèi)的光,稱之為可見光,頻率過高(紫外線)和過低(紅外線),我們都看不見.
對于太陽光,牛頓首先用三棱鏡發(fā)現(xiàn)其中包含著赤、橙、黃、綠、藍、靛和紫7種顏色.可以用一個小實驗(如圖1所示)即可觀察到“七彩陽光”.取裝入水的玻璃缸放在房子中陽光入射的地方,然后在水中放一面小鏡子,用一張白紙接收從盆中小鏡子反射的光,根據(jù)光的折射原理,即可從白紙上看到一個漂亮的人造彩虹.在7種不同的光中,紅光波長最長(頻率最低),紫光波長最短(頻率最高).我們?nèi)庋鬯吹降氖撬鼈兊幕旌辖Y(jié)果.
二、天空為什么是藍色的
除非有外界干擾,光都是以直線傳播的.當光在空氣中傳播時,不可避免要遇到空氣中的氣體分子和其他微粒.這些微粒對光有吸收、反射和散射等物理作用,正是這些物理作用使得晴日里天空成為蔚藍色.
正確解釋天空為什么是藍色始于1859年.科學家泰多爾首先發(fā)現(xiàn)藍光要比紅光散射強得多,這就是“泰多爾效應”.幾年之后,科學家瑞利更詳細地研究了這種現(xiàn)象,他發(fā)現(xiàn)散射強度與波長的4次方成反比.后來,更多科學家稱這種現(xiàn)象為“瑞利散射”.瑞利散射很容易通過下面一個小實驗來驗證(如圖2所示)：用一個盛滿水的水杯,然后往水杯中滴入幾滴牛奶,用手電筒做光源,從水杯的一側(cè)照射,從水杯的另一側(cè)看到的是紅光,而從垂直于光線的方向看到的卻是藍色(在黑暗處效果更明顯).
當時,泰多爾和瑞利都認為天空的藍色是由于空氣中有小的粉塵微粒和小水滴所致,這些小的粉塵微粒和小水滴就類似于水中的牛奶懸浮顆粒.即便今天,也有許多人這樣認為.事實上并非如此,如果天空完全是由于小的粉塵微粒和小水滴引起的,那么天空的顏色將隨著濕度而變,事實上天空的顏色隨著濕度的變化非常小,除非下雨或者烏云密布.后來科學家猜測用空氣中的氮氣和氧氣分子足以解釋天空中的“泰多爾效應”.這種猜測最終被愛因斯坦所證實,他對這種散射效應作了詳細的計算,并且計算結(jié)果與實驗相符合.
我們所看到的藍天是因為空氣分子和其他微粒對入射的太陽光進行選擇性散射的結(jié)果.散射強度與微粒的大小有關.當微粒的直徑小于可見光波長時,散射強度和波長的4次方成反比,不同波長的光被散射的比例不同,此亦成為選擇性散射.當太陽光進入大氣后,空氣分子和微粒(塵埃、水滴、冰晶等)會將太陽光向四周散射.組成太陽光的紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫7種光中,紅光波長最長,紫光波長最短.波長比較長的紅光透射性最大,大部分能夠直接透過大氣中的微粒射向地面.而波長較短的藍、靛、紫等色光,很容易被大氣中的微粒散射.以入射的太陽光中的藍光(波長為0.425μm)和紅光(波長為0.650μm)為例,當光穿過大氣層時,被空氣微粒散射的藍光約比紅光多5.5倍.因此晴天天空是蔚藍的.但是,當空中有霧或薄云存在時,因為水滴的直徑比可見光波長大得多,選擇性散射的效應不再存在,不同波長的光將一視同仁地被散射,所以天空呈現(xiàn)白茫茫的顏色.
如果說短波長的光散射得更強,你一定會問為什么天空不是紫色的.其中一個原因就是在太陽光透過大氣層時,空氣分子對紫色光的吸收比較強,所以我們所觀測到的太陽光中的紫色光較少,但并不是絕對沒有,在雨后彩虹中我們很容易觀察到紫色的光.另外一個原因和我們的眼睛本身有關.在我們的眼睛中,有3種類型的接收器,分別稱之為紅、綠和藍錐體,它們只對相應的顏色敏感.當它們受到外界的光刺激時,視覺系統(tǒng)會根據(jù)不同接受器受到刺激的強弱重建這些光的顏色,也就是我們所看到物體的顏色.事實上,紅色錐體和綠色錐體對藍色和紫色的刺激也有反映,紅錐體和綠錐體同時接受到陽光的刺激,此時藍錐體接收到藍光的刺激較強,最后它們聯(lián)合的結(jié)果是藍色的,而不是紫色的