天空為何是藍的呢？

2020-08-28 科學雜燴


天空為何會是藍的呢？

古往今來，對這個「naive」但也很「complex」的問題的解答成千上萬……如：

「孩子啊，這是因為南瞻部洲增長天王的宮殿呀……咳咳，是藍色的。所以，我們呀……」（大誤）或「空氣中會有許多微小的塵埃、水滴、冰晶等物質，當太陽光通過空氣時，波長較短的藍、紫、靛等色光，很容易被懸浮在空氣中的微粒阻擋，從而使光線散射向四方，使天空呈現出蔚藍色。「

可惜，這兩個答案都有問題。前者是古代宗教的觀點，後者是19世紀中葉的丁鐸爾散射模型。聰明的你看到這裡肯定就會問：「後一個的沒問題啊？！」是的，「波長較短的藍色光，容易被懸浮在空氣中的微粒阻擋，……散射向四方」，但它並不是「天是藍的」的真正原因。如果它真的主要是由水滴冰晶等微粒的散射引起的，那麼天空的顏色和深淺，就應隨著空氣溼度的變化而變化（因為當溼度變化時，空氣中水滴冰晶的數目會明顯變化）。e.g.潮溼地區和沙漠地區的溼度差別很大，但天空是一樣的藍，一樣的美麗（大笑）。所以丁鐸爾散射模型無法解釋清楚這個問題。到十九世紀末葉，丁氏解釋已被質疑。

1880年代，瑞利在度假期間注意到：根本不必求助塵埃、水滴、冰晶等空氣中的微粒，空氣本身的氧和氮等分子對陽光就有散射，而且藍色光容易被散射。所以，空氣分子的散射就可以作為它的主因。大氣層中氣體分子的尺度要遠遠小於可見光的波長，這種尺度的微粒對不同顏色的光線具有不同的散射強度。其散射強度與入射光的波長的四次方成反比。紅光（波長：760~622納米）的波長較長，被散射的紅光強度就很弱，而藍、紫光（450~435納米、380 ～ 470 納米）的波長較短，散射強度就強。所以，大氣分子就好比一張濾網，把太陽光中長波的成分過濾掉，將剩下的藍、紫光灑向大地。而我們人類的眼睛對紫色光非常不敏感，因此我們看到的天空就是藍色的。

Q.E.D

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