天空为什么是蓝色
秋高气爽的季节,常常见到天空湛蓝,朵朵白云,在人们印象中,以为天空本身就是蓝色的。其实不然。
因为“天”本身是没有颜色的,天空中的蓝色是由于大气分子散射了太阳光中的蓝色光线的缘故。空气越稠密,天就愈蓝。所以秋冬季冷空气过后,我们处于密度很大的冷空气团中,天便显得特别湛蓝。而高山和高原上的空气稀薄,天空的蓝色逐渐减弱,天色便发暗了。
如果在9000-10000米的高空飞行,便可以看到头顶上的天空是暗蓝色的。再往更高的高空,就高出了大气圈了,暗蓝色的天空就变成暗黑色的天空。太阳、月亮、星星都同时在灰黑色的天穹上发出耀眼的光辉,这时候如果我们能坐在宇宙飞船上,宇宙奇景便展现在我们眼前了。回首脚下,便会看到那披着淡蓝色轻纱的人类家乡———地球。当然这淡蓝色的轻纱就是地球大气,所以说蓝色其实不是“天”的颜色。
除非有外界干扰,光都是以直线传播的。当光在空气中传播时,不可避免要遇到空气中的气体分子和其他微粒。这些微粒对光有吸收、反射和散射等物理作用,正是这些物理作用使得晴日里天空成为蔚蓝色。
正确解释天空为什么是蓝色始于1859年。科学家泰多尔首先发现蓝光要比红光散射强得多,这就是“泰多尔效应”。几年之后,科学家瑞利更详细地研究了这种现象,他发现散射强度与波长的4次方成反比。后来,更多科学家称这种现象为“瑞利散射”。瑞利散射很容易通过下面一个小实验来验证(如图2所示):用一个盛满水的水杯,然后往水杯中滴入几滴牛奶,用手电筒做光源,从水杯的一侧照射,从水杯的另一侧看到的是红光,而从垂直于光线的方向看到的却是蓝色(在黑暗处效果更明显)。
当时,泰多尔和瑞利都认为天空的蓝色是由于空气中有小的粉尘微粒和小水滴所致,这些小的粉尘微粒和小水滴就类似于水中的牛奶悬浮颗粒。即便今天,也有许多人这样认为。事实上并非如此,如果天空完全是由于小的粉尘微粒和小水滴引起的,那么天空的颜色将随着湿度而变,事实上天空的颜色随着湿度的变化非常小,除非下雨或者乌云密布。后来科学家猜测用空气中的氮气和氧气分子足以解释天空中的“泰多尔效应”。这种猜测最终被爱因斯坦所证实,他对这种散射效应作了详细的计算,并且计算结果与实验相符合。
我们所看到的蓝天是因为空气分子和其他微粒对入射的太阳光进行选择性散射的结果。散射强度与微粒的大小有关。当微粒的直径小于可见光波长时,散射强度和波长的4次方成反比,不同波长的光被散射的比例不同,此亦成为选择性散射。当太阳光进人大气后,空气分子和微粒(尘埃、水滴、冰晶等)会将太阳光向四周散射。组成太阳光的红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫7种光中,红光波长最长,紫光波长最短。波长比较长的红光透射性最大,大部分能够直接透过大气中的微粒射向地面。而波长较短的蓝、靛、紫等色光,很容易被大气中的微粒散射。以入射的太阳光中的蓝光(波长为0.425μm)和红光(波长为0.650μm)为例,当光穿过大气层时,被空气微粒散射的蓝光约比红光多5.5倍。因此晴天天空是蔚蓝的。但是,当空中有雾或薄云存在时,因为水滴的直径比可见光波长大得多,选择性散射的效应不再存在,不同波长的光将一视同仁地被散射,所以天空呈现白茫茫的颜色。
参考资料:http://www.yzdsb.com.cn/20050913/ca529255.htm