蝴蝶的翅膀到底有沒有顏色?

2021-01-15 物種日曆

結構色是鱗片表面的微觀物理結構產生的。這些微觀結構，比如鱗片內的多層片狀薄膜（也叫肋狀結構/肋片），使光波發生幹涉、衍射和散射而產生比化學色更加絢麗的顏色。這些色彩可以因不同視距、視角等因素而變化，泛著金屬般的光澤，又稱為彩虹色。

分布在南美和中美的藍色大閃蝶（Morpho Didius），閃蝶科（Morphidae），閃蝶屬（Morpho）。圖片：wiki

幾乎沒有蝴蝶不具有結構色，尤其是閃蝶科和鳳蝶科的蝴蝶。綠帶翠鳳蝶如螢光般的藍色和綠色、多眼灰蝶若隱若現的淡藍色、曲帶閃蛺蝶華麗的紫色閃光都是結構色的傑作。以大家熟悉的藍色大閃蝶為例，大家可能以為它的翅膀上應該鋪滿了亮藍色的鱗片。其實，它的鱗片是透明、暗淡的棕色，之所以看起來又亮又藍，全是結構色的功勞。

這是藍色大閃蝶鱗片的微觀結構圖。a）鱗片的放大圖。b）從正面看一片鱗片發現它表面有很多條狀物。c) 再把它夾起來看它的橫切面看出這些條狀物上窄下寬。d) 再放大，我們可以看到這是一種左右長有多層幾丁質肋片的脊脈。圖片：E. Rebecca Coath., Dimensions（2007）和HowStuffWorks

我們都知道，光從一種介質進入另一種介質，會同時發生反射和折射。如果一束自然光（白光）進入一個厚度為d的薄膜，會在薄膜的上表面發生一次反射，同時折射進入薄膜。由於白光是由各色光組成的，各色光的折射角不一樣，第一次折射就將赤橙黃綠青藍紫不同波長的光分離出來了。這些不同波長的光再遇到薄膜的下表面，又會發生一次反射和折射，若存在多個薄膜則依次類推。這樣，各色光線的第二次反射光線，和它們的第一次反射光線，頻率相同，傳播方向相同，發生了相長幹涉，就能產生色素髮光沒法兒比的光亮度。

上圖：白光遇到薄膜時發生的折射和反射。下圖：當兩列相干光波相遇時，如果位相差異為波長的整數倍，那麼它們的波峰會和波峰相遇，波谷會和波谷相遇，光波的振幅變大，亮度提高，這種現象叫做相長幹涉（constructive interference）。圖片：HowStuffWorks

藍色大閃蝶的透明鱗片，其上樹狀脊結構的每個肋片，都是一片薄膜，薄膜之間都隔著空氣層。自然光會不斷地在空氣層和肋片裡發生反射和折射，產生多種顏色的、可以發生幹涉的反射光線。

藍色大閃蝶鱗片上的樹狀脊脈以及肋片結構示意圖。圖片中標出的d1、d2、h、θ、Φ等因素，都是決定結構色的關鍵。圖片：E. Rebecca Coath., Dimensions（2007）

而這些反射光線能否發生相長幹涉，就取決於相干光波的相位差。這相位差打哪兒來？就是第二條反射光線比第一條反射光線多在薄膜裡轉悠的那一圈兒。這取決於薄膜的厚度、薄膜的材質、光波的波長、光線的入射角度等等。


藍色大閃蝶的翅膀，再放大來看看樹狀的脊脈。圖片：Laser Focus World

沒錯，藍色大閃蝶鱗片綻放出的絢麗光彩，正是藍光相長幹涉的產物。無論是它的厚度、材質，還是它樹狀脊脈上薄膜的位置，都是那麼適合藍光發生相長幹涉，無數條藍光的反射光線發生相長幹涉，能產生巨亮的藍光，蓋過其它顏色，甚至讓飛行員開著飛機在南美的熱帶雨林上空飛過，隔著半英裡都能看見。


再感受下藍色大閃蝶的閃耀，這是結構色的魔法。圖片：The Darwin Sect

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