加载中…白天为什么天空是蓝的，而早上和傍晚是红色的。
(2019-03-29 16:24:47) | 分类： 生活 |
①太阳光是平行光，是某一方向的，只有散射才会让接近半球的人可以看得见。
②散射过程中，因为光的波长大于粒子直径，所以会发生瑞利散射（散射能力与光波长的四次方成反比），即波长越短，散射能力越强，越容易被看得见，这也是白天大部分时间天空是蓝色的原因。
③造成和傍晚是红色的原因在于：光的波长越短，散射能力越强，传输路径上越容易被消耗，而红光相较蓝光散射能力弱一点，可以更好的保留。
④以上主要提到蓝红，主要原因是人眼视觉神经中主要以蓝、绿、红散射接收为主，其余的蓝色可以看做是三者的混合。
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最简洁的回答就是：三步骤——太阳辐射的能量中以可见光为最强，而在可见光中，红橙黄绿蓝靛紫，波长逐渐变短；根据瑞利散射，在大气微粒子的作用下，波的散射能力和波长的四次方成反比，所以正常情况下经过大气层散射下来的是蓝紫光人的眼睛更好接收到的是蓝绿红三色光，所以结合，人眼看到的天空是蓝色。（PS：为什么早上和傍晚是红色呢，因为那时候太阳光倾斜照射，光在通过大气层散射后，仍然是蓝光多红光少，但是光到达地面的距离远了很多，在这段距离中，蓝光被散射殆尽，而红光因为散射能力较弱，顺利到达地表以及人眼，这就是我们看到红光的原因。而天空灰蒙蒙是因为云等气溶胶粒子连红光都挡住了，使得进入的散射光线变少，从而使得天空显得阴暗）
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我们小的时候也许都问过家长：天空为什么是蓝色的？这个问题恐怕大多数家长都回答不出来。当我们长大了变成家长了，孩子们又要问我们这个问题，这仿佛成了一个千古难题。在湖南卫视《天天向上》栏目里，汪涵是这样回答的：
“天空是蓝色的，因为大海是蓝色的。大海是蓝色的，因为海里面有鱼，鱼会吐泡泡，blueblueblue，就把海染蓝了。”
现在好了，你看了这篇文章，这个问题你终于可以回答了。
瑞利散射
我们知道，空气是由78%的氮气、21%的氧气和1%的其他气体构成的。空气中还存在一些杂质，例如固体颗粒、小水滴、小冰晶等。当光线射入大气层时，由于气体分子并不均匀以及杂质的影响，光线就会发生散射。所谓散射，就是将原本平行射入的光变为四面八方发射的。
这样以来，原本向某个方向照射的太阳光，就会把整个天空照亮。如果没有大气的散射作用，就算在白天，天空中大部分还是黑的，就好像月亮表面上那样。
太阳光并不是单一波长的光，而是许多单色光合在一起构成的复色光。波长在400纳米到760纳米之间的光是可以被人眼看到的，称为可见光。太阳光的可见光部分可以分解为七种不同颜色，按波长从长到短依次是红橙黄绿蓝靛紫。除此之外，波长大于红光的不可见光称为红外线。波长比紫光短的不可见光称为紫外线
太阳光的各种成分能量不是相同的。主要的能量都集中在可见光部分。这是很好理解的：人眼在进化过程中为了适应太阳， 就把眼睛进化为对太阳光中能量最强的部分最敏感了。
不同波长的光散射能量是不同的。卡文迪许实验室第二位主任：英国物理学家约翰·斯特拉特（第三代瑞利男爵）研究了光的散射问题，并得出了著名的瑞利散射公式。
瑞利指出：对于尺寸远远小于光波长的微小颗粒散射，散射光的强度与波长的四次方成反比。也就是说，
波长越长，散射能力越差；波长越短，散射能力越强。
在可见光中，紫光散射能力最强，而红光的散射能力最弱。
同时，人的眼睛中有三种可以感觉颜色的圆锥细胞，分别可以感受红色、绿色和蓝色，每种细胞对不同波长的光感受能力不同。相比来讲，人眼对黄绿色光最为敏感，这也恰好是太阳光中能量最集中的部分。
现在我们知道了：太阳光的能量分布在可见光最多，短波长散射能力最强，人眼对黄绿色光最敏感，三个因素叠加在一起，人眼感受到天空的颜色最终就是蓝色了。不仅仅是天空，广阔的透明体如水、玻璃等，也会呈蓝色。
朝阳和夕阳是红色的
利用这个原理，我们还可以解释许多问题。例如：早晨和傍晚，太阳光是偏红色的。
这是因为：在中午的时候，太阳光垂直射向地面，所需要穿透的大气层比较薄。但是早上和晚上，太阳光斜射向地面，在大气中经过的路程比较长。
在这个过程中，短波长的光由于散射能力强，在经过地球大气的时候大部分都散射掉了，余下的光就是散射能力最弱的长波长的光，于是就呈现出红色。
月食时的血月
还有另一个很神奇的现象也可以用这个理论解释：红月亮。
由于地球对太阳光的遮挡，在地球后面形成了本影区和半影区。在本影区，太阳光完全被遮挡，在半影区，一部分太阳光被地球遮挡。
如果月球处于地球的本影区里，就出现月全食。如果月球一部分在本影区里，一部分在半影区里，就出现月偏食。当月球扫过地球的本影区时，就会出现偏食-全食-偏食的变化。
按理说，发生月全食时，月球应该消失不见，但事实上，月球会变成暗红色。这个原因是因为太阳光经过地球表面时，大气会把阳光进行折射，类似于一个凸透镜的作用，使原本接近平行的太阳光向内偏折，这样就能够照亮本影区中的月球。
但是，由于此时太阳光需要在大气中通过很长的路程，散射能力较强的短波长光都被散射掉了，能够通过的阳光主要是波长比较长，散射能力较差的红光。所以，红光照射到月球上，就把月球照成了血月。红光散射能力差，穿透能力最强，所以人们的交通信号灯也采用红灯表示禁止通行。
看似简单的问题：天空为什么是蓝色的，其实并不简单，它蕴含了深刻的物理道理，这个问题直到一百年前才真正被人解释清楚。
作者李永乐老师：北京大学物理与经济双学士，清华大学电子工程硕士；北京市中学物理教师/物理竞赛教练。从教十年，培养清华北大学生200余人，国际奥赛、亚洲奥赛、国家奥赛金牌十余名。“美提课堂”主讲老师。
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