天空之所以是藍色,核心原因是瑞利散射。
簡單地說,太陽光是復合光,由紅、橙、黃、綠、青、藍、紫等多種顏色組成。大氣層里的氮氣、氧氣分子很小,更容易散射波長較短的藍光和紫光,而人眼對藍光更敏感,對紫光不敏感,所以我們白天看到的天空一般都是藍色。
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但早晨日出時和傍晚日落時,太陽以及附近地平線會偏紅,出現朝霞晚霞,是因為光穿過大氣層是走斜路,路徑更長,穿過的氣體也更厚,藍光就被散射掉了,剩下波長更長地紅光、橙光到達我們地視網膜。
延伸展開來說,地球的能量主要來自太陽,太陽能量是以電磁輻射的方式傳播到地球,電磁輻射的傳播載體是光子,因此到達地球的能量本質上都是光。當然,這些光有人眼能夠看見的,也有人眼看不見的。
電磁輻射全波段的光包括無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、γ射線,波段太長頻率太低的無線電波、紅外線,以及波段太短頻率太高的紫外線、X射線、γ射線,人眼都無法看到,只能看到波段從長到短約780納米到380納米之間、頻率從低到高380THz到790THz的可見光。
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而可見光又是復合光,通過色散,可以折射出從紅到紫一系列顏色,人們一般把它分為七色,即紅橙黃綠青藍紫。這七色光對應的波段與頻率見下表:
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所謂七色光,只不過是人類為了便于敘述和分辨認為劃分的,實際上,可見光可見光從紅色到紫色是連續過渡的,物理理論上可以無限分割這些光,可以離散出無數種顏色的光。但人眼和儀器的感知分辨都是有限的,現在電腦一般將光分為三原色,即GRB,也就是紅綠藍,用這三種原色,就可以調配出無數種顏色。
人眼對顏色區分極限約100萬種,現代電腦、手機等屏幕一般采用24位真彩色,即將每種顏色分為從0到255種,也就是G、R、B三通道分別為256級,這樣三種顏色疊加就可以形成256*256*256≈16,78萬種顏色。更好的屏幕還有32位和48位色,最高調配出的種顏色數可達281萬億種,人眼根本無法分辨,只在專業領域運用。
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回歸到可見光的某些特性:真空光速c≈3*10^8m/s,也就是約每秒30萬千米,但在不同介質中,如水、玻璃中,其折射率不一樣,速度也不一樣,波長越長,折射率越小,速度越快,隨著波長變短依次變化,到紫光折射率最大,速度最慢。
這就是當光通過玻璃三棱鏡折射后,將白色光色散出各種顏色,下雨天當太陽光在適當角度會在天空顯示出長虹的原因。在大氣中,空氣分子遠小于可見光波長,因此,瑞利散射規律是對波長越短的光散射越厲害,公式為:散射強度 ∝ 1 / 波長^4。
我們將紅光波長650納米,藍光波長450納米代入公式計算,得出藍光瑞利散射散射強度是紅光的4.35倍,
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根據紅光和藍光波長計算,藍光散射的強度就約為紅光的4倍,因此,在太陽光進入大氣層時,紫光和藍光就被大氣分子散射向四面八方,滯留和充滿天空,人眼感光細胞對紫光不敏感,因此,我們看到的天空就成了蔚藍色。
而波長較長的紅、橙、黃色光,不容易被大氣分子散射,絕大多數就直射到了地面。
日出日落時,太陽貼近地平線,光線要穿過的大氣層厚度是上下午的幾十倍,在這樣極長的路徑里,波長很短的藍光、紫光在半路上就徹底散射光了,傳遞不到人眼中,只有波長組最長,最不容易被散射的紅光、橙光能穿透厚厚的大氣到達人眼,因此早晚看到的太陽就是紅色或橙紅色,朝霞晚霞也是這個道理。
正是可見光這些奇妙特性,不僅將天空變幻得多彩多姿,還讓我們能夠看到這個世界無與倫比的絢麗和斑斕。
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