天空原本是蓝色的

1为什么天空是蓝色的？这是因为阳光是由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色组成的。这七种颜色的光波长是不同的。与其他波长更长的光子相比，大气中的灰尘和其他颗粒更多地散射蓝光，因此天空看起来是蓝色的。大气的光散射主要有两种类型:丁达尔散射和瑞利散射。其中，灰尘、水雾等能在空气中形成胶体的颗粒通过廷德尔散射来散射光。丁达尔散射的特点是散射光的强度与光波的波长无关，所以白光经过散射后仍然是白色的，在地平线附近看到的白色就是丁达尔散射。还有瑞利散射，是微小粒子(分子、原子等)产生的。)，其散射光强与光波波长的四次方成反比。已知可见光的波长范围是400nm(蓝紫光)到700nm(红光)，红光端的波长是蓝紫光的1.75倍，所以蓝紫光的散射强度接近红光的十倍，人眼对紫光不敏感。大气本身是无色的。天空的蓝色是由大气分子、冰晶、水滴和阳光创造的画面。当太阳光进入大气层时，长波长的彩色光，如红光，传输功率很大，可以穿透大气层射向地面；而波长较短的紫、蓝、青三色光，碰到大气分子、冰晶、水滴，就容易散射。散射的紫色、蓝色和青色光线充满天空，使天空显得蓝色。根据瑞利理论，当光波波长减小时，散射程度急剧增加。因此，波长最短的紫光散射应该最强，而靛蓝、蓝色和绿色的光散射要小得多。那么为什么我们看到的是蓝色的天空而不是紫色和靛蓝色的天空呢？原来，散射光穿过空气时，会因吸收而损失大量能量。波长较短的紫光和靛蓝光虽然在穿过空气时被强烈散射，但同时也被空气强烈吸收。当太阳到达地面时，剩余的紫色和靛蓝色光散射得不多。我们目睹的天空颜色是光谱中接近蓝色的颜色混合而成，它们呈现的是蓝天的颜色。天空没有颜色，却因为太阳光的散射而有了颜色。这就是为什么夜空看起来是黑色的。晚上，太阳照射不到地球天空的一半。没有强烈的阳光，天空没有颜色，有的只是黑色。方石的壮丽景象是任何艺术家都难以描绘的。但很少有人知道，我们目睹的大部分颜色都是污染造成的。城市的夕阳和空气清新的乡村的夕阳不一样。在非常干净、未受污染的大气中，夕阳具有鲜明的色彩特征。太阳是明亮的黄色，而相邻的天空呈现橙色和黄色。当夕阳慢慢消失在地平线下时，天空的颜色逐渐由橙色变为蓝色。即使在太阳消失后，靠近地平线的云层也会继续反射太阳光。因为天空的蓝色和云层反射的红色阳光融合在一起，更高的天空中的薄云呈现出红紫色。几分钟后，天空充满了浅蓝色，颜色逐渐加深，延伸到天空。但在一个高度工业化的地区，当污染物以颗粒的形式悬浮在空气中时，天空的颜色就完全不同了。圆圆的太阳是橙红色的，而天空是暗红色的。红色明暗的不同反映了污染物的厚度。有时日落之后，两边的天空中出现两种宽阔的颜色，靠近地平线的是暗红色，上面是深蓝色。污染特别严重的时候，太阳看上去就像一个暗红色的圆盘。甚至在它到达地平线之前，它的颜色就会逐渐变淡。为什么太阳在洁净的空气中呈现黄色，而天空同时呈现蓝色？19世纪末，英国物理学家瑞利在1871中首次解释了这一点。地球表面的人们通过空气中散射的太阳光来观察天空。在干净无污染的大气中，大部分散射是由空气中的分子(主要是氧和氮分子)引起的，这些分子的大小比可见光的波长小得多。瑞利理论指出散射光的强度与波长的四次方成反比(I ∝ 1/λ 4)。在这种情况下，散射主要影响波长较短的光。因为蓝色在光谱之后，所以天空本身看起来是蓝色的。阳光直接穿透空气，在散射过程中损失了很多蓝色，所以太阳本身就呈现出灿烂的黄色。阳光除了散射，还会被空气中的臭氧分子和水蒸气吸收。由于空气层中散射和吸收的相互作用，最终到达地面的太阳光消耗了大量的能量。正是因为在早晨和傍晚，阳光在空气中传播的距离很远，损失了太多的能量，所以我们才能欣赏到壮丽的日出和美丽的日落。在白天，太阳光穿过大气层的距离较短，其能量损失较少。这个时候用肉眼直视太阳会让人头晕，非常危险。就在太阳下山之前，你会看到太阳圆盘周围有一圈耀眼的红色光晕。这种光环是阳光被比空气分子大得多的尘埃粒子折射的结果，这些尘埃粒子通常悬浮在地球附近的空气中。这个光环似乎从太阳圆盘的中心延伸了大约三倍。因为光晕的延伸角度取决于光波的波长和粒子的大小，所以估计折射粒子的直径大约是尘埃粒子的大小。如果一场大雨在日落前净化了空气，这种光环通常在日落时是看不到的。瑞利没能把空气污染的问题解释清楚。虽然他的理论指出光的散射强度会随着散射粒子的增加而急剧增加，但它只适用于比光波波长小得多的粒子，而不适用于直径大于0.025 mm的粒子(如空气分子)。在当今工业社会，污染物通常是悬浮颗粒，由直径在0.01 ~ 10mm的颗粒组成，瑞利的理论无法解释这种情况。后来Gostaf Mi证明了大粒子的散射取决于粒子线性度与波长的比值，并在1908中提出了更一般的理论，覆盖了更大的粒子尺寸范围。这个理论指出，如果空气中有足够多的粒子，它们将决定散射情况。米氏散射理论可以解释我们在城市天空中看到的东西。颗粒越大，散射越多，散射效果取决于波长。散射不仅在光谱的蓝色区域很强，而且在绿色到黄色区域也很强。所以穿过很多污染空气层的阳光强度减弱了很多，太阳看起来更红了。它失去了蓝色、黄色和绿色的成分。除了散射，光能还被臭氧和水蒸气吸收。因此，圆圆的太阳显得暗淡和橙红色。那么被污染的空气中天空本身的颜色呢？空气中悬浮的污染物时间长了会汇聚到集成层，较大的颗粒在近地面形成密集层。当阳光穿透这些层时，它会逐渐褪色，呈现橙色。散射光会损失大量波长较短的光波，结果主要是红光穿透。天空是暗红色的；因为散射的红光穿过空气层中更低更密的空气，所以在地球表面附近红色越来越浓。你看到的日落类型主要取决于你在哪里。在地面上，夕阳的亮度和颜色取决于季节和每天当地的大气条件。高处的人看到的日出和日落是完全不同的。有时日落后，站在平台上的观测者可以看到靠近两个地平线的一小部分空气散射的太阳光。日出时，在太阳升起之前可以看到散射光，而对于日落，天空的颜色取决于大气条件。日出前天空中的亮色，如橙、黄、紫、深蓝等，表明东部的大气相对未受污染。一旦太阳升起，大部分天空变成蓝色，只有靠近地面的部分呈现出狭窄的橙黄色。傍晚的天空可以揭示大气的污染。自然的“污染”也会影响天空的颜色，尤其是火山喷出的大量尘埃、热气和水蒸气进入大气层时。尘埃颗粒和其他颗粒最终聚集在地面以上15公里到20公里之间的层中。这种空气层散射太阳光的效果特别明显，五颜六色，太阳呈现蓝色或绿色，尤其是在黄昏时分，火山爆发数年后还能看到这种景象。这些迷人的风景无法弥补污染的危害，无论是自然的还是人为的。但至少污染物颗粒是通过色彩斑斓的天空颜色的微妙变化来显示其存在的。一旦城市在日落时出现暗红色，就是对我们的警告。我们应该禁止污染物排入大气。只有这样，我们才能确保我们的后代能够继续享受晴朗的天空。太阳真的在动吗？太阳在宇宙中不是静止的，相反，它在以不同的方式运动。首先，因为所有的行星都有质量，太阳围绕太阳系的重心旋转；其次，它以250公里/秒的速度随整个太阳系绕银河系重心旋转；第三，在本星系群中以300 km/s的速度随整个星系运动；而且还在转。问:为什么下雨时彩虹是弯曲的，而不是一大片颜色？答:当太阳光进入雨滴并从雨滴内表面反射时，彩虹就形成了。只要光从一种介质，比如空气，进入另一种介质，比如水，就会改变路径，这叫折射。光路的曲率取决于它通过的物质和波长，也就是光的颜色。所以当太阳光进入雨滴时，它所包含的不同光线的弯曲程度是不同的:红色最小，紫色最大。所以雨滴中浮现出来的是各种颜色，每种颜色的弧度大约在40 ~ 42度。这种情况发生在每一个被太阳照亮的雨滴上，但我们只能在一些雨滴中看到彩虹，它们的弧度是40 ~ 42度，正好把它们的光透射到我们的眼睛里。这些符合条件的雨滴形成一个圆圈，其中一部分经常被地平线截断。留在地平线上的是我们称之为美丽的彩虹。为什么天空是蓝色的？蓝天和白云在漂浮。相信大家对这美景都有些感触。那为什么天空是蓝色的？为什么云是白色的？不是每个人都能说出这种奇妙的物理现象的原因。事实上，我们正在观看的这一美丽场景是大气分子、水滴和天空中的其他粒子与阳光相互作用的结果。一、空气和阳光为了解释这种物理现象，我们应该先了解一下空气和阳光。空气是包裹在地球周围的一层“防弹衣”，保护地球上的生物免受紫外线辐射。空气不是空的，而是由许多粒子组成的。其中99%是氮气和氧气，其余是其他气体(如二氧化碳、惰性气体等。)、小水滴和漂浮颗粒如工厂的灰尘、风中吹来的沙子和火山爆发产生的岩灰。然而，空气的成分并不是固定的，它取决于位置、天气和其他不确定因素(如森林、海洋、火山爆发和污染)。光是能量通过电磁波传播的一种方式，在真空中的传播速度是每秒30万公里。与其他波(如声波)不同，光具有波粒二象性。这是因为光是由无质量的粒子——光子组成的，所以光不仅具有波的特性，还具有粒子的特性。光传输的能量与光的频率成正比，光的频率恰好决定了它的颜色。然而，我们的眼睛只能看到特定频率范围内的光，这种光称为可见光。我们既看不到频率过高(紫外线)，也看不到频率过低(红外线)。对于太阳光，牛顿首先用棱镜发现它包含红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色。可以通过一个小实验观察“七彩阳光”(如图1)。拿一个装满水的玻璃罐放在阳光入屋的地方，然后在水里放一面小镜子，用一张白纸接收盆里小镜子反射的光线。根据光的折射原理，你可以从白纸上看到美丽的人造彩虹。在七种不同的光当中，红光的波长最长(频率最低)，紫光的波长最短(频率最高)。我们肉眼看到的是它们混合的结果。2.为什么天空是蓝色的？除非有外界干扰，否则光是直线传播的。光在空气中传播时，不可避免地会遇到空气中的气体分子和其他粒子。这些粒子对光的吸收、反射和散射都有物理效应，正是这些物理效应使得晴天的天空呈现蓝色。正确解释天空为什么是蓝色始于1859。科学家泰多尔首先发现蓝光比红光强得多，这就是“泰多尔效应”。几年后，科学家瑞利更详细地研究了这一现象。他发现散射强度与波长的四次方成反比。后来，更多的科学家把这种现象称为“瑞利散射”。瑞利散射很容易通过下面的小实验来验证(如图2):用一个装满水的水杯，然后往水杯里滴几滴牛奶，用手电筒作为光源，从水杯的一侧照射。从水杯的另一侧看，可以看到红光，但从与光垂直的方向看，是蓝色的(在黑暗中效果更明显)。当时，泰多尔和瑞利都认为，蓝天是由空气中的小尘埃颗粒和水滴造成的，类似于牛奶在水中的悬浮颗粒。即使在今天，许多人仍然这样认为。事实上，并非如此。如果天空完全是由小尘粒和小水滴造成的，天空的颜色会随着湿度而变化。事实上，天空的颜色不会随着湿度而改变，除非下雨或云正在聚集。后来，科学家推测空气中的氮和氧分子足以解释天空中的“泰多尔效应”。这个猜测最终被爱因斯坦证实，他对这种散射效应做了详细的计算，计算结果与实验一致。我们看到的蓝天是空气分子和其他粒子对入射阳光选择性散射的结果。散射强度与颗粒尺寸有关。当颗粒的直径小于可见光的波长时，散射强度与波长的四次方成反比，不同波长的光以不同的比例散射，这也叫选择性散射。当阳光进入大气层时，空气分子和颗粒(灰尘、水滴、冰晶等。)会把阳光散射到周围。在红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种太阳光中，红光波长最长，紫光波长最短。波长较长的红光透过率最大，大部分能直接穿透大气中的颗粒物射向地面。而蓝色、靛蓝色、紫色等波长较短的彩色光，很容易被大气中的粒子散射。以入射太阳光中的蓝光(波长为0.425μm)和红光(波长为0.650μm)为例。光穿过大气时，被空气粒子散射的蓝光大约是红光的5.5倍。所以在晴朗的日子，天空是蓝色的。但当天空中有雾或薄云时，由于水滴的直径远大于可见光的波长，选择性散射的作用不复存在，不同波长的光会被均匀散射，所以天空呈现白色。如果短波长的光散射更强烈，你一定要问为什么天空不是紫色的。原因之一是太阳光穿过大气层时，空气分子对紫光的吸收率强，所以我们在太阳光中观察到的紫光较少，但也不是绝对没有。我们很容易观察到雨后彩虹中的紫光。另一个原因与我们的眼睛本身有关。在我们眼中，有三种类型的接收器，分别叫做红、绿、蓝锥细胞，它们只对相应的颜色敏感。当它们受到外界光的刺激时，视觉系统会根据不同感受器受到刺激的强度来重构这些光的颜色，也就是我们看到的物体的颜色。事实上，红锥和绿锥也反映了蓝色和紫色的刺激。红色视锥和绿色视锥同时受到阳光的刺激。这时蓝锥受到蓝光的刺激，最后它们结合的结果是蓝色，而不是紫色。你见过蓝色的太阳吗？你可能会说为什么我们看到的太阳不是蓝色的。这是因为当我们直视太阳时，眼睛接收到的太阳光是麦易散射的光，而不是瑞利散射的光。麦易散射是光遇到大于其波长的粒子时的一种散射，对光的波长依赖性很小，不改变光的原有成分。而且散射光是向前的，大部分光还是按原来的方向传播。它对所有的光都有同样的效果。当我们直视太阳时，我们看到一个略带黄色的圆盘。淡黄色是因为在这个过程中有一部分光是瑞利散射，蓝光全部散射出去，剩下红、橙、黄、绿光，但与麦伊散射相比，这个散射过程较弱，所以太阳看起来略显淡黄色。但在沙尘暴天气，由于空气中的颗粒较多，瑞利散射占优势，我们可能会看到蓝色的太阳。4.夕阳为什么是红色的？当太阳即将落山时，太阳光穿过大气层到达观测者的距离要比中午长得多，更多的光被散射和反射，所以光线不如中午明亮。因为波长较短的光——蓝色和紫色的光——几乎已经被散射，只剩下橙色和红色的光，所以当太阳慢慢落下时，天空看起来由橙色变成红色。同样，当太阳升起时，它是橙色或红色的。5.为什么云是白色的？天空中的云是由空气中的小水滴和灰尘组成的。它们的直径比任何颜色的太阳光的波长都要长得多，所以瑞利散射很少发生。一部分阳光被反射到空气中；一部分被迈克尔散射，然后散射光打在地球上，但迈克尔散射并不改变太阳光的任何颜色；有的直接穿透水滴之间的缝隙。以上三个条件对太阳光的构成没有影响，所以看起来天空中的云是白色的。但是云越来越厚，水滴越来越多，几乎连在一起。阳光和散射光不能或很少能穿透云层，于是白云就变成了乌云。正是在太阳光通过大气入射到地球表面的过程中，大气中的空气分子或其他颗粒会吸收、反射和透射太阳光，从而形成蓝天、白云和落日、朝霞的绚丽余辉。如果没有大气和其他粒子，即使在白天，太阳看起来也像一个孤零零的亮球，天空也会一片漆黑，所以空气不仅为我们提供了生存的条件，也让我们的天空变得五彩缤纷。

参考资料:

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