藍(lán)藍(lán)的天空白云飄”.對(duì)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(lán)色的?云為什么是白色的?對(duì)于這種奇妙的物理現(xiàn)象,并不是所有人都能說(shuō)出原因.事實(shí)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(yáng)光共同作用的結(jié)果.
一、空氣和太陽(yáng)光
為了解釋這種物理現(xiàn)象,首先簡(jiǎn)單了解一些空氣和太陽(yáng)光的知識(shí).空氣是在地球外面包裹著的一層“防彈衣”,保護(hù)著地球上生物不受紫外線(xiàn)的照射.空氣并不是空的,是由很多的微粒組成.其中99％是氮?dú)夂脱鯕?其余則是別的氣體(如二氧化碳、惰性氣體等)、小水滴和來(lái)源于工廠的粉塵、風(fēng)中的揚(yáng)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(lài)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(yán)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(wàn)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?yàn)楣馐怯梢环N無(wú)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(chēng)之為可見(jiàn)光,頻率過(guò)高(紫外線(xiàn))和過(guò)低(紅外線(xiàn)),我們都看不見(jiàn).
對(duì)于太陽(yáng)光,牛頓首先用三棱鏡發(fā)現(xiàn)其中包含著赤、橙、黃、綠、藍(lán)、靛和紫7種顏色.可以用一個(gè)小實(shí)驗(yàn)(如圖1所示)即可觀察到“七彩陽(yáng)光”.取裝入水的玻璃缸放在房子中陽(yáng)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(gè)漂亮的人造彩虹.在7種不同的光中,紅光波長(zhǎng)最長(zhǎng)(頻率最低),紫光波長(zhǎng)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(lán)色的
除非有外界干擾,光都是以直線(xiàn)傳播的.當(dāng)光在空氣中傳播時(shí),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(duì)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(lán)色.
正確解釋天空為什么是藍(lán)色始于1859年.科學(xué)家泰多爾首先發(fā)現(xiàn)藍(lán)光要比紅光散射強(qiáng)得多,這就是“泰多爾效應(yīng)”.幾年之后,科學(xué)家瑞利更詳細(xì)地研究了這種現(xiàn)象,他發(fā)現(xiàn)散射強(qiáng)度與波長(zhǎng)的4次方成反比.后來(lái),更多科學(xué)家稱(chēng)這種現(xiàn)象為“瑞利散射”.瑞利散射很容易通過(guò)下面一個(gè)小實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證(如圖2所示)：用一個(gè)盛滿(mǎn)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(xiàn)的方向看到的卻是藍(lán)色(在黑暗處效果更明顯).
當(dāng)時(shí),泰多爾和瑞利都認(rèn)為天空的藍(lán)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(lèi)似于水中的牛奶懸浮顆粒.即便今天,也有許多人這樣認(rèn)為.事實(shí)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(shí)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(lái)科學(xué)家猜測(cè)用空氣中的氮?dú)夂脱鯕夥肿幼阋越忉屘炜罩械摹疤┒酄栃?yīng)”.這種猜測(cè)最終被愛(ài)因斯坦所證實(shí),他對(duì)這種散射效應(yīng)作了詳細(xì)的計(jì)算,并且計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)相符合.
我們所看到的藍(lán)天是因?yàn)榭諝夥肿雍推渌⒘?duì)入射的太陽(yáng)光進(jìn)行選擇性散射的結(jié)果.散射強(qiáng)度與微粒的大小有關(guān).當(dāng)微粒的直徑小于可見(jiàn)光波長(zhǎng)時(shí),散射強(qiáng)度和波長(zhǎng)的4次方成反比,不同波長(zhǎng)的光被散射的比例不同,此亦成為選擇性散射.當(dāng)太陽(yáng)光進(jìn)入大氣后,空氣分子和微粒(塵埃、水滴、冰晶等)會(huì)將太陽(yáng)光向四周散射.組成太陽(yáng)光的紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫7種光中,紅光波長(zhǎng)最長(zhǎng),紫光波長(zhǎng)最短.波長(zhǎng)比較長(zhǎng)的紅光透射性最大,大部分能夠直接透過(guò)大氣中的微粒射向地面.而波長(zhǎng)較短的藍(lán)、靛、紫等色光,很容易被大氣中的微粒散射.以入射的太陽(yáng)光中的藍(lán)光(波長(zhǎng)為0.425μm)和紅光(波長(zhǎng)為0.650μm)為例,當(dāng)光穿過(guò)大氣層時(shí),被空氣微粒散射的藍(lán)光約比紅光多5.5倍.因此晴天天空是蔚藍(lán)的.但是,當(dāng)空中有霧或薄云存在時(shí),因?yàn)樗蔚闹睆奖瓤梢?jiàn)光波長(zhǎng)大得多,選擇性散射的效應(yīng)不再存在,不同波長(zhǎng)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(shuō)短波長(zhǎng)的光散射得更強(qiáng),你一定會(huì)問(wèn)為什么天空不是紫色的.其中一個(gè)原因就是在太陽(yáng)光透過(guò)大氣層時(shí),空氣分子對(duì)紫色光的吸收比較強(qiáng),所以我們所觀測(cè)到的太陽(yáng)光中的紫色光較少,但并不是絕對(duì)沒(méi)有,在雨后彩虹中我們很容易觀察到紫色的光.另外一個(gè)原因和我們的眼睛本身有關(guān).在我們的眼睛中,有3種類(lèi)型的接收器,分別稱(chēng)之為紅、綠和藍(lán)錐體,它們只對(duì)相應(yīng)的顏色敏感.當(dāng)它們受到外界的光刺激時(shí),視覺(jué)系統(tǒng)會(huì)根據(jù)不同接受器受到刺激的強(qiáng)弱重建這些光的顏色,也就是我們所看到物體的顏色.事實(shí)上,紅色錐體和綠色錐體對(duì)藍(lán)色和紫色的刺激也有反映,紅錐體和綠錐體同時(shí)接受到陽(yáng)光的刺激,此時(shí)藍(lán)錐體接收到藍(lán)光的刺激較強(qiáng),最后它們聯(lián)合的結(jié)果是藍(lán)色的,而不是紫色的.