举个栗子:天空为什么是蓝的?

天空为什么是蓝的?的头图

天空为什么是蓝的?原因并不像常见回答中所说的,是因为“空气中会有许多微小的尘埃、水滴、冰晶等物质,当太阳光通过空气时,波长较短的蓝、紫、靛等色光,很容易被悬浮在空气中的微粒阻挡,从而使光线散射向四方,使天空呈现出蔚蓝色。”

与可见光的波长(约400纳米~700纳米)相比,空气中的尘埃、水滴等微粒远远大于阳光中的可见光波长,因此当阳光遇到这些颗粒物的时候,它们会向不同的方向反射。但是,这样的反射对于不同波长(或者说不同颜色)的光来说,效果都是相同的。换句话说,尘埃等颗粒物反射出来的,仍然是包含所有颜色的白光。如PM2.5即空气中悬浮着的尺度≤2.5微米的颗粒物造成的污染,所以当空气污染指数很高的时候,天空会是白茫茫的一片。

那天空为什么是蓝色的呢?实际上,空气中确实存在大量尺度比可见光波长更小的微粒就是空气中的多种气体分子,比如氧气和氮气分子的“直径”都是0.3纳米左右。遇到这些气体分子的时候,有些光子就会被吸收。一段时间之后,分子又会释放出另一个光子。放出的光子跟吸收的光子颜色相同,但是方向变了。虽然所有颜色的光子都会被吸收,但频率较高(即颜色较蓝)的光子比频率较低(颜色较红)的光子更容易被吸收。这个过程被称为瑞利散射,是以19世纪70年代最先描述这一过程的英国物理学家约翰?瑞利爵士的名字命名的。

那么,蓝色光更容易与空气分子发生瑞利散射,又怎么会产生蓝天呢?先做个简单的假设,如果不存在任何空气,天会是什么颜色?虽然我们大多数人都没有上过太空,但从阿波罗登月的纪录片中可以看到,月亮上哪怕太阳当空照,天空仍然是黑色的。原因如下图:

由于空气中存在瑞利散射,情况就完全不同了,阳光在大气的传播途中,偏蓝色的光更容易发生瑞利散射而被偏折到了与阳光原来传播的方向不同的方向上。于是,我们就算不直对着太阳看,而是朝天空中的其他方向上看,也总有被空气分子散射的光子(更多的是蓝光)射入我们的眼睛,于是就看到了蓝天。

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