为什么天空是蓝色的?

由:尼古拉斯gerbi曾经

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完美的蓝天点缀着云朵,这是瑞利散射的结果。Manuel Breva Colmeiro/Moment/Getty Images
蓝色的天空,向我微笑/我看到的只有蓝色的天空…
——欧文·柏林

如果你曾像欧文·柏林(Irving Berlin)一样想知道,为什么你看到的是“除了蓝天什么都没有”,那么你有很多同伴。这花了许多世纪,许多聪明人,包括亚里士多德,艾萨克·牛顿麦克斯韦(James Clerk Maxwell)和赫尔曼•冯•亥姆霍兹(Hermann von Helmholtz)等人的研究,试图找出答案,部分原因是这个答案包含了如此多的组成部分:颜色阳光例如,太阳光线穿过大气层的角度,空气中粒子和大气分子的大小,以及我们眼睛感知颜色的方式。

让我们暂时抛开天空,从颜色开始。从物理学的观点来看,颜色是指波长可见光离开物体并撞击传感器,如人眼。这些波长可能被反射,或者分散或者它们可能从物体本身发出。

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物体的颜色随光源中包含的颜色而变化;例如,红色油漆在蓝光下看起来是黑色的。艾萨克·牛顿用棱镜证明,太阳的白光包含了可见光谱中的所有颜色,所以在阳光中所有颜色都是可能的。

在学校里,我们大多数人都知道香蕉是黄色的,因为它反射黄光并吸收所有其他波长的光。这是不准确的。香蕉散射的橙色和红色就像它散射的黄色一样多,并且在某种程度上分散了可见范围内的所有颜色[来源:Bohren].它看起来是黄色的真正原因与我们的眼睛感知光线的方式有关。然而,在我们开始之前,让我们先看看天空实际上是什么颜色。

我们下节课再讲。

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《蓝天:大小是极限

喜欢吃香蕉,原子,大气中的分子和粒子吸收和散射光。如果他们没有,或者地球如果没有大气层,我们就会把太阳看作是一颗非常明亮的恒星长夜天空.然而,可见光光谱中并非所有波长的散射都是相同的。较短的、能量更强的波长,靠近光谱的紫色端,比那些靠近较长、能量更少的红端散射得更好。这种趋势的部分原因是由于它们的能量更高,这使得它们能够更多地来回运动,部分原因是它们在大气中与之相互作用的粒子的几何形状。

1871年,瑞利勋爵推导出了一个描述这些相互作用的子集的公式,其中大气粒子比撞击它们的辐射波长要小得多。瑞利散射模型表明,在这样的系统中,散射光的强度与波长的四次方成反比。换句话说,当粒子(如氧气和氮气分子)相对较小时,较短的波长(如蓝色和紫色)比较长的波长分散得更多。在这些条件下,分散也倾向于均匀地分散在各个方向,这就是为什么天空看起来如此饱和的颜色[来源:Bohren].

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如果我们蠢到直接看太阳,我们会看到所有波长的光,因为光会直接到达我们的眼睛。这就是为什么太阳和它周围的区域看起来是白色的。当我们远离太阳,望向晴朗的天空时,我们看到的光大多来自较短、分散的波长,如紫色、靛蓝和蓝色。

那么,为什么天空没有呈现出紫色而不是浅蓝色呢?眼睛里有。你的眼睛感知颜色的结构叫做视锥细胞.你的视网膜上布满了大约500万个视锥细胞,每个视锥细胞由三种不同类型的视锥细胞组成,它们专门能看到不同的颜色。Schirber].虽然每种锥对特定的峰值波长最敏感,但锥类型的范围是重叠的。因此,不同的光谱和光谱组合可以检测到相同的颜色。

与我们的听觉不同,我们的眼睛和大脑将特定的波长组合解释为单一的、离散的颜色。我们的视觉感官将天空中的蓝紫色光解释为蓝色和白色光的混合物,这就是为什么天空是浅蓝色的。

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更大的链接

  • Bohren, Craig F.和Eugene Edmund Clothiaux。《大气辐射基础:400个问题的介绍》Wiley-VCH。2006年3月21日。
  • 博伊德,Padi。“考虑到星际尘埃的性质,为什么日出日落时天空是蓝色的,太阳又是红色的?”NASA戈达德太空飞行中心:问天体物理学家。1997年6月11日。(2011.6.16) http://imagine.gsfc.nasa.gov/docs/ask_astro/answers/970611f.html
  • 大英百科全书。“散射(颜色)”。《大英百科全书在线》2011。(2011年6月14日)http://www.britannica.com/EBchecked/topic/126658/colour/21861/Scattering
  • 菲茨帕特里克,Richard。“瑞利散射。”2002年2月2日。(2011年6月13日)http://farside.ph.utexas.edu/teaching/em/lectures/node97.html
  • 吉布斯,Philip。“为什么天空是蓝色的?”Usenet物理FAQ。1997年5月。(2011年6月13日)http://www.desy.de/user/projects/Physics/General/BlueSky/blue_sky.html
  • 美国宇航局的太空广场。“为什么天空是蓝色的?”2011年5月12日。(2011年6月14日)http://spaceplace.nasa.gov/blue-sky/en/
  • 中殿,R。“蓝天”。佐治亚州立大学物理与天文学:超物理学。(2011.6.15) http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/atmos/blusky.html
  • Schirber,迈克尔。《为什么天空是蓝色而不是紫色》微软全国有线广播电视公司。2005年7月19日。(2011.6.16) http://www.msnbc.msn.com/id/8631798/ns/technology_and_science-science/t/why-skies-are-blue-instead-purple/
  • 大卫斯特恩,P。《阳光的多种颜色》戈达德太空飞行中心。2011年9月23日。(2011年6月15日)http://www-istp.gsfc.nasa.gov/stargaze/Sun4spec.htm

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