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)?？諝馐窃诘厍蛲饷姘囊粚?#8220;防彈衣”，保護(hù)著地球上生物不受紫外線的照射?？諝獠⒉皇强盏?，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，稱之為可見(jiàn)光，頻率過(guò)高(紫外線)和過(guò)低(紅外線)，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?？茖W(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?#8220;泰多爾效應(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種類型的接收器，分別稱之為紅、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
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