光的衰減這麼厲害,真的是從太陽遠道而來的嗎?

2020-12-04 科學塢

毫無疑問白天的陽光從距離地球1.5億千米的太陽遠道而來。

一、光在大氣介質中的衰減

我們看到光在空氣中的路徑,其實主要是來自空氣中各種顆粒物質的散射。可見光的波長在380~780納米之間,而空氣中主要成分:氧分子直徑接近0.296納米、氮分子0.304納米,它們的尺寸都是遠遠小於可見光的波長的。對於可見光來說,可以輕鬆繞射。

但是塵埃不同,空氣中有大量的塵埃,我們就拿國家標準來說吧。PM10,就是直徑大約10微米的顆粒物;PM2.5,就是直徑小於2.5微米的顆粒物。1~2微米大小的顆粒物,尤其是小於1微米的粒子,與可見光波長相近,對陽光產生比較強的散射作用,致使光線穿透力減弱,天空灰濛濛一片,大氣能見度降低。

二、太陽的功率真的很強大

太陽總輻射功率為3.86×10^23W,我們地球跟太陽之間的距離為1.5×10^11m。地球到太陽的距離處,這個球面的面積為4×π×(r^2),每單位面積的功率就是總功率除以地球所在球面的面積:(3.86×10^23)/(4 π*(1.5×10^11)^2) = 1.3652 (W)

然而這麼大的功率並不能直逕到達地面,因為地球還有大氣。如果我們的大氣中顆粒物很少,我們剛才分析了大氣分子的直徑都是遠小於可見光的直徑的,所以大部分可見光最後都能到達地面。但是一些波長比較短的可見光,篇藍色的,會與空氣分子發生碰撞被散射,所以我們看到的天空才會出現蔚藍色。

三、從太陽到地球光線一路暢通無阻

在光線從太陽發出一直到到達地球的過程中,跨越了1.5億千米的太空。在這個路程上,物質密度極低,如果跟我們地球表面的大氣相比,把它們看作是真空也沒有什麼不可以的。太陽光線在到達地球之前功率的衰減主要是符合平方反比定律。我想這個大家能理解吧。是空間使得光線耗散了。

相比空間對光線的耗散,太空中的物質對光線的散射、吸收等等作用可以忽略不計。也正是因為如此,我們才能在夜晚看到幾十、上百光年,甚至是更遙遠的星光。

四、月球的反射率和反照率

月球的平均反射率=月球反射出來的光強÷入射的太陽光的光強=7%,月球的反照率=月球照到地球的光強÷月球的反射光強=12%。我們從這兩個數字可以看出,月球表面的物質,對陽光的反射率是很低的,大部分光線的能量可以被月球表面的物質所吸收。所以當陽光直射月面的時候,那裡的溫度可以高達120攝氏度以上。

那麼為什麼月球的反照率那麼低呢?這是因為,月球它是個球啊,而且上面還不是光滑的球面,有很多的撞擊坑,它的反射比較接近球面反射,不是跟平面鏡一樣,平行光入射,再把光平行反射。月球的反射光會以球面散開,同時也符合平方反比定律。所以到達我們地球上的反射光就要比月球反射的總光量少很多了。

五、為什麼月光和陽光在空氣中衰減差不多

其實月光的光譜跟陽光有很大的不同,太陽光是連續光譜,而月光是分立的光譜。但是我們人的肉眼識別能力很差,看不出什麼分別。由於我們在地面,能觀察到的光在大氣中的衰減主要是顆粒物的散射造成的。這個時候,跟大氣的成分關係不大。所以給我們的感覺就是,陽光和月光在大氣中的衰減都差不多。

最後總結

我們從前面的分析可以看到,其實這是一個涉及到光的傳輸的話題。很多時候我們是無法想像宇宙空間的廣大和空袤,無法理解陽光在傳輸過程中的變化。進入到大氣中的陽光,其實又涉及到了大氣的折射、吸收、散射,以及空氣中的細小塵埃對光的影響。希望我前面的回答,能夠幫助題主高清真相。如果還有疑問,歡迎在下面的評論區留言,有問必復。

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