天空为什么是蓝色(天空为什么是蓝色的?红月亮又是怎么回事?)

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我们小的时候也许都问过家长:天空为什么是蓝色的?这个问题恐怕大多数家长都回答不出来。当我们长大了变成家长了,孩子们又要问我们这个问题,这仿佛成了一个千古难题。在湖南卫视《天天向上》栏目里,汪涵是这样回答的:
“天空是蓝色的,因为大海是蓝色的。大海是蓝色的,因为海里面有鱼,鱼会吐泡泡,blueblueblue,就把海染蓝了。”
现在好了,你看了这篇文章,这个问题你终于可以回答了。
瑞利散射我们知道,空气是由78%的氮气、21%的氧气和1%的其他气体构成的。空气中还存在一些杂质,例如固体颗粒、小水滴、小冰晶等。当光线射入大气层时,由于气体分子并不均匀以及杂质的影响,光线就会发生散射。所谓散射,就是将原本平行射入的光变为四面八方发射的。
这样以来,原本向某个方向照射的太阳光,就会把整个天空照亮。如果没有大气的散射作用,就算在白天,天空中大部分还是黑的,就好像月亮表面上那样。
太阳光并不是单一波长的光,而是许多单色光合在一起构成的复色光。波长在400纳米到760纳米之间的光是可以被人眼看到的,称为可见光。太阳光的可见光部分可以分解为七种不同颜色,按波长从长到短依次是红橙黄绿蓝靛紫。除此之外,波长大于红光的不可见光称为红外线。波长比紫光短的不可见光称为紫外线。
太阳光的各种成分能量不是相同的。主要的能量都集中在可见光部分。这是很好理解的:人眼在进化过程中为了适应太阳, 就把眼睛进化为对太阳光中能量最强的部分最敏感了。
不同波长的光散射能量是不同的。卡文迪许实验室第二位主任:英国物理学家约翰·斯特拉特(第三代瑞利男爵)研究了光的散射问题,并得出了著名的瑞利散射公式。
瑞利指出:对于尺寸远远小于光波长的微小颗粒散射,散射光的强度与波长的四次方成反比。也就是说, 波长越长,散射能力越差;波长越短,散射能力越强。
在可见光中,紫光散射能力最强,而红光的散射能力最弱。
同时,人的眼睛中有三种可以感觉颜色的圆锥细胞,分别可以感受红色、绿色和蓝色,每种细胞对不同波长的光感受能力不同。相比来讲,人眼对黄绿色光最为敏感,这也恰好是太阳光中能量最集中的部分。
现在我们知道了:太阳光的能量分布在可见光最多,短波长散射能力最强,人眼对黄绿色光最敏感,三个因素叠加在一起,人眼感受到天空的颜色最终就是蓝色了。不仅仅是天空,广阔的透明体如水、玻璃等,也会呈蓝色。
朝阳和夕阳是红色的利用这个原理,我们还可以解释许多问题。例如:早晨和傍晚,太阳光是偏红色的。
这是因为:在中午的时候,太阳光垂直射向地面,所需要穿透的大气层比较薄。但是早上和晚上,太阳光斜射向地面,在大气中经过的路程比较长。
在这个过程中,短波长的光由于散射能力强,在经过地球大气的时候大部分都散射掉了,余下的光就是散射能力最弱的长波长的光,于是就呈现出红色。
月食时的血月还有另一个很神奇的现象也可以用这个理论解释:红月亮。
由于地球对太阳光的遮挡,在地球后面形成了本影区和半影区。在本影区,太阳光完全被遮挡,在半影区,一部分太阳光被地球遮挡。
如果月球处于地球的本影区里,就出现月全食。如果月球一部分在本影区里,一部分在半影区里,就出现月偏食。当月球扫过地球的本影区时,就会出现偏食-全食-偏食的变化。
按理说,发生月全食时,月球应该消失不见,但事实上,月球会变成暗红色。这个原因是因为太阳光经过地球表面时,大气会把阳光进行折射,类似于一个凸透镜的作用,使原本接近平行的太阳光向内偏折,这样就能够照亮本影区中的月球。
但是,由于此时太阳光需要在大气中通过很长的路程,散射能力较强的短波长光都被散射掉了,能够通过的阳光主要是波长比较长,散射能力较差的红光。所以,红光照射到月球上,就把月球照成了血月。红光散射能力差,穿透能力最强,所以人们的交通信号灯也采用红灯表示禁止通行。
看似简单的问题:天空为什么是蓝色的,其实并不简单,它蕴含了深刻的物理道理,这个问题直到一百年前才真正被人解释清楚。
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李永乐老师:北京大学物理与经济双学士,清华大学电子工程硕士;北京市中学物理教师/物理竞赛教练。从教十年,培养清华北大学生200余人,国际奥赛、亚洲奥赛、国家奥赛金牌十余名。
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