天空為什么是藍(lán)的

[摘 要]俗話說(shuō)“海闊憑魚躍，天高任鳥(niǎo)飛”，藍(lán)色天空和藍(lán)色海洋都是寬廣遼闊與自由的象征，可是為什么天空和海洋都是藍(lán)色的呢？本文將就天空與海洋為什么都是藍(lán)色的問(wèn)題展開(kāi)對(duì)瑞利散射的介紹，通過(guò)比較不同頻率瑞利散射的大小來(lái)說(shuō)明天空和大海為什么都是藍(lán)色的這兩個(gè)生活中常見(jiàn)的復(fù)雜問(wèn)題。

[關(guān)鍵詞]瑞利散射

天是藍(lán)色的，從我們認(rèn)知世界開(kāi)始就這樣認(rèn)為，可是這背后的原因是什么呢？這個(gè)問(wèn)題同樣也引發(fā)了英國(guó)物理學(xué)家瑞利爵士的思考，在此之前很多科學(xué)家也做出各種假設(shè)，不過(guò)大多不合理。瑞利是十九世紀(jì)著名的物理學(xué)家，瑞利以嚴(yán)謹(jǐn)、廣博、精深著稱，并且多次用簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)裝置獲得精準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在眾多學(xué)科中都有成果，他曾測(cè)量過(guò)氣體密度，發(fā)現(xiàn)過(guò)惰性氣體，對(duì)物理學(xué)和化學(xué)的發(fā)展做出了卓越的貢獻(xiàn)。本文討論的是瑞利的另外一項(xiàng)重要發(fā)現(xiàn)——瑞利散射。

一、瑞利散射

瑞利散射，因英國(guó)物理學(xué)家瑞利率先提出，因而得名，描述的是半徑比光波波長(zhǎng)小很多的粒子對(duì)光的散射，可以用下面的式子來(lái)表述：其中 I（λ）入射 表示的是入射光的強(qiáng)度，所以這個(gè)公式說(shuō)明，波長(zhǎng)越短的光波越容易發(fā)生瑞利散射

二、天為什么是藍(lán)的？

天為什么是藍(lán)的？首先我們先要引用一個(gè)關(guān)于“阿波羅”號(hào)登月的紀(jì)錄片中的描述，從月球上看天空，是漆黑的一片。這是很好理解的，假設(shè)我們站在一個(gè)無(wú)限大且什么都沒(méi)有的暗室中，整個(gè)暗室內(nèi)只有一個(gè)點(diǎn)光源，那么我們只有在望向點(diǎn)光源的時(shí)候才能感受到光，而點(diǎn)光源以外的地方就是漆黑一片，所以在月球上，天空是黑色的，只有望向太陽(yáng)和其他星體的時(shí)候才能看到光。為什么月球的天空是黑的而地球的就是藍(lán)的呢？

原因就是月球沒(méi)有大氣層！大氣層影響了天空的顏色嗎？是的！以地球?yàn)槔娝苤?，地球大氣層的成分很?fù)雜，主要成分是氮?dú)夂脱鯕?，姑且把這兩種分子都看做是球體（其實(shí)不是，氮?dú)夂脱鯕舛际请p原子分子，可以想象成兩個(gè)靠的很近的彈性小球，這里我們把整個(gè)氣體分子看做是一個(gè)小球），那么這個(gè)球體的直徑大概只有0.3納米，對(duì)比之下，可見(jiàn)光的波長(zhǎng)范圍大概在380納米到780納米范圍內(nèi)。這里列舉這兩種分子并不是單單的說(shuō)只有這兩種分子因其瑞利散射，其實(shí)，大氣層中的其他成分比如水分子，細(xì)小塵埃都是引起瑞利散射的主要原因，這里列舉這兩種分子只是想在數(shù)值上給讀者一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)！根據(jù)上文介紹的瑞利散射發(fā)生條件——“粒子半徑比光波波長(zhǎng)小很多”，光在大氣中傳播時(shí)會(huì)發(fā)生瑞利散射！

正是因?yàn)槿鹄⑸涫顾{(lán)紫光在大氣中得到一部分散射所以我們無(wú)論從哪個(gè)角度看天空都是蔚藍(lán)的。

那么相比起來(lái)紫色的光波長(zhǎng)相對(duì)藍(lán)光更短，為什么天空看起來(lái)不是紫色的呢？這是因?yàn)榭諝庾陨硪彩怯徐氐?，說(shuō)的直接點(diǎn)，空氣也是有自身漲落的，再通俗一點(diǎn)的說(shuō)空氣畢竟不是靜止的，所以一定會(huì)有一個(gè)密度的漲落，正是這個(gè)密度漲落決定了我們看到的天空不是紫的，而是蔚藍(lán)的！

那么我們看到的天空可以是紫的么！答案是可以！前面提到，密度的漲落決定紫光在散射時(shí)發(fā)生吸收、反射等一系列復(fù)雜過(guò)程導(dǎo)致我們看到的是藍(lán)色的散射光，那么不同大氣密度下散射、吸收、反射等過(guò)程程度會(huì)有所改變。所以不同大氣密度下我們看到的天空顏色不一樣的，舉例來(lái)說(shuō)：假如我們可以站在在8公里高的大氣層上的一個(gè)點(diǎn)仰望天空，由于大氣密度變稀薄，我們看到的天空大概是青色的，有意思吧？再往高一點(diǎn)大概11000米高度，天空就變成了暗青色，再往上一點(diǎn)大約13000米高度，天空已經(jīng)變成了暗紫色。依然往上，在21000米的高空仰望藍(lán)天，這個(gè)時(shí)候藍(lán)天已經(jīng)不再是藍(lán)天了應(yīng)該叫做黑紫天，如果還往上，由于大氣密度過(guò)于稀薄，色散已經(jīng)不太明顯，天空就變成了黑色了，道理就如同前面提到的月球上的天空是黑的。

可以說(shuō)，瑞利散射在一定程度上減弱了太陽(yáng)光直射到地球上的強(qiáng)度對(duì)地球上的生命來(lái)說(shuō)，也是一種天然的保護(hù)。

三、海為什么是藍(lán)色的

在討論還是什么顏色之前我們先要討論另外一個(gè)問(wèn)題，葉子是什么顏色呢？綠色？對(duì)！為什么葉子是綠色呢，因?yàn)槿~子中的葉綠素吸收了大部分其他顏色的光進(jìn)行光合作用，但在光合作用中綠光的利用率不高，也就是說(shuō)葉綠素沒(méi)有吸收綠光而是反射了綠色光，所以葉子看起來(lái)是綠色的。

我們都有這樣的常識(shí)，坐在輪船上看大海時(shí)，大海是藍(lán)色的，但是將海水裝進(jìn)瓶子里就會(huì)發(fā)現(xiàn)，還水是沒(méi)有顏色的，這是因?yàn)樵诩儍舻暮Ｋ?，懸浮的大顆粒少，大部分都是直徑小的粒子，當(dāng)陽(yáng)光（也就是白光）照射到海水時(shí)，海水中的小粒子直徑因?yàn)檫h(yuǎn)小于光的波長(zhǎng)所以發(fā)生瑞利散射，將藍(lán)光散射掉一部分，同樣的反射掉一部分，這樣我們看到的其實(shí)是海水散射和反射出的藍(lán)光，就像上文討論的葉子的顏色是綠色是因?yàn)槿~子反射了綠光，同樣的大海時(shí)藍(lán)色的，是因?yàn)榇蠛７瓷浜蜕⑸淞怂{(lán)光。

四、霧霾為什么灰蒙蒙的？

近年來(lái)，空氣質(zhì)量問(wèn)題越來(lái)越成為國(guó)人關(guān)心和擔(dān)憂的問(wèn)題，霧霾天氣下能見(jiàn)度很低，空氣質(zhì)量差，嚴(yán)重影響著人們的心情和健康。為什么霧霾時(shí)天灰蒙蒙的能見(jiàn)度低呢？

這些還要從當(dāng)下非常熱的一個(gè)名詞說(shuō)起——pm2.5，pm2.5直白的說(shuō)就是空氣中懸浮的直徑小于或等于2.5微米的顆粒物，相似的概念還有pm10，這些懸浮的顆粒物濃度過(guò)大是就產(chǎn)生了令人煩惱的霧霾。由瑞利散射的定義可知，發(fā)生瑞利散射時(shí)要求粒子直徑遠(yuǎn)小于光波波長(zhǎng)，而pm2.5的直徑已經(jīng)達(dá)到微米量級(jí)是光波波長(zhǎng)的4000多倍，這時(shí)候是不可能發(fā)生瑞利散射的，讀者可以想象一束極細(xì)的水流射到一個(gè)籃球上，因?yàn)榛@球是一個(gè)曲面，水流必然會(huì)被均勻的濺射開(kāi)，類似的光波傳遞到充滿pm2.5的霧霾的大氣中就會(huì)發(fā)生相似的現(xiàn)象，影響光的傳播，所以天氣灰蒙蒙的能見(jiàn)度低。

五、結(jié)語(yǔ)

由于瑞利散射的存在天空和大?？雌饋?lái)都是藍(lán)色的，這是因?yàn)榧t光黃光相對(duì)藍(lán)光來(lái)講波長(zhǎng)更長(zhǎng)，由于瑞利散射的散射光強(qiáng)度與波長(zhǎng)成反比，所以紅光和黃光不容易發(fā)生瑞利散射，而藍(lán)光的瑞利散射能力強(qiáng)，所以天空和大?？雌饋?lái)都是藍(lán)色的。但是這些也是在一個(gè)前提下的，那就是純凈的大氣和純凈的大海，因?yàn)橹挥屑儍舻目諝饧儍舻暮Ｋ袥](méi)有大顆粒的雜志，才能滿足瑞利散射的條件，而隨著我國(guó)社會(huì)的發(fā)展，環(huán)境受破壞嚴(yán)重，導(dǎo)致霧霾等天氣出現(xiàn)，天空和海洋也不再蔚藍(lán)，我希望我們?nèi)w國(guó)人都行動(dòng)起來(lái)從自我做起，倡導(dǎo)環(huán)境友好，選擇低碳生活，保護(hù)好我們的碧海藍(lán)天！

參考文獻(xiàn)；

[1]《光學(xué)手冊(cè)·上卷》：陜西科學(xué)技術(shù)出版社.