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为什么天空是蓝色的?

来源:windy 
文章附图

为什么天空是蓝色的?


所有的孩子都会问这个问题,然后长大。。。继续问吧。今天我们将尽可能清楚地回答这个问题。


一个简单但困难的答案


我们所看到的一切都是由具有不同性质的难以想象的小粒子组成的。光也不例外。光粒子的行为就像波。




“光粒子的行为就像波”,这是什么意思?




这意味着当一个粒子移动时,它会振荡,而不是从一个位置跳到另一个位置,而是好像同时在所有它振荡的地方。波粒子振荡的两个端点之间的距离称为波长。当然,这是对复杂量子现象的一个非常粗略的简化,但现在这个解释对我们来说还是有用的。




不同能量(=不同振荡频率)的光粒子具有不同的波长。我们能否看到这种光,它的颜色取决于波长。




阳光是白色的,所以所有颜色的粒子都会重叠。但是一旦太阳释放出的光粒子撞击到地球大气层的上层,它们就会与我们的空气粒子相遇,这些粒子主要由氮和氧组成。



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白色,不是黄色!


大部分可见光几乎没有注意到空气,自由地落在我们的眼睛和我们周围。但是一些蓝色粒子的波长使得它们与空气粒子的相互作用更加明显。




阳光散射发生:空气分子吸收蓝光粒子的一些能量,并开始发射蓝光。不是朝一个方向,而是在他们周围。


光与空气的相互作用




空气由分子组成,而空气分子主要由氮和氧原子组成。分子中的每个原子都有一个原子核和它自己的粒子,电子,它们在原子核周围形成一个“云”。




这些电子云有自己的振荡频率,这是使分子保持在一起并防止粒子飞走的稳定力的结果。




如果穿过空气分子的光波的频率接近分子中原子自然振荡的频率,就会产生共振——电子云开始更强烈地振荡。




你不必知道量子力学来描述这种效应的力-牛顿第二定律就足够了:物体所受的加速度取决于作用力。




这里的力是光波,物体是电子云。加速度是电子云的振荡力。




发光是电子云加速的结果。




光频率和原子共振频率越接近,加速度越强,发光越强烈。




在氮和氧原子中,共振频率接近紫外光和蓝光的频率,因此天空中的散射主要发生在蓝色和紫色频率上。


换言之,我们呼吸的空气似乎从阳光中“吸收”了蓝色,照亮了整个天空。没有蓝色成分的白光,对我们来说似乎是黄色的,所以太阳通常是黄色的。


为什么天空不蓝


使白天空气变蓝的现象全称为瑞利散射。在日落和黎明时,太阳的位置会移到地平线上,因此光必须比白天到达我们眼睛之前更多地与大气相互作用。光和空气之间的相互作用比散射更强。空气开始“吸收”更多的颜色,所以天空看起来已经是红色的了:具有“红色”波长的粒子占据了主导地位,因为它们比其他粒子散射得少。




但这只是答案的一部分。事实上,不仅蓝色粒子会散射,一般来说,所有可见颜色的粒子都可以散射。而且是紫罗兰色的粒子,甚至蓝色的粒子,散落在天空中!



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波长(底部)和大气中散射的粒子数


但是为什么天空是蓝色而不是紫色?




答案就在我们的眼睛里。客观上没有颜色,只有一种波长,我们的眼睛会把它解读为某种颜色。




我们眼睛的“主要”颜色只有红、绿、蓝三种颜色。我们的眼睛里有三种感受器(它们被称为视锥),每种颜色对应一种。所有其他颜色都是由这三种颜色组合而成的。




如果紫色是蓝色和红色的组合(即大量的“蓝色”和“红色”粒子,而很少的“绿色”)则人眼可以很好地分辨紫色。但如果它是一种“真实的”单色紫色光,也就是说,它主要由具有“紫色”波长的粒子组成,那么它就有问题了。单色紫色是我们眼力的极限。



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紫色的黄昏不是真正的紫色天空,而是红色和蓝色的结合




如果我们的眼睛稍微有点不同,我们会看到天空是紫色的。但是在进化的过程中,我们发现我们有足够的颜色来生存,所以我们几乎没有注意到“紫色”粒子。




因此,我们觉得天空是蓝色的。准确地说,蓝白色——正如我们上面提到的,所有可见光的粒子都以不同的方式散射。


思考更多:




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