可見光之于生命

朱 琴 趙詩華

(1. 北京市昌平區(qū)第二中學(xué),北京 102208; 2. 中國礦業(yè)大學(xué)(北京)理學(xué)院,北京 100083)

通常我們說陽光常常默認(rèn)是可見光,因為人和動物利用它產(chǎn)生視覺,植物利用它進(jìn)行光合作用.人類、動物和植物都離不開可見光,但是可見光的波長在400 nm～760 nm之間,只占電磁波譜的很小一部分,為何對于生物卻如此重要呢?這就要從太陽的輻射和大氣的吸收說起.下面我們首先用例題[1]來說明太陽輻射提供給地球的能量.

例.已知太陽半徑RS=6.96×108m,地球半徑RE=6.37×106m,地球到太陽的距離d=1.496×1011m.若將太陽視為表面溫度5900 K的黑體,試計算：(1) 太陽每單位表面積上所發(fā)射的功率,(2) 地球表面陽光直射的單位面積接受到的輻射功率,(3) 地球每秒內(nèi)接受的太陽輻射能.

解析:根據(jù)斯特藩-玻爾茲曼定律M0(T)=σT4,σ=5.67×10-8W·m-2·K-4,可求出太陽表面的輻出度M0(T),即單位表面積的輻射功率

M0(T)=σT4=6.87×107W·m-2，

從而太陽輻射的總功率為

PS=4πRS2M0=4.2×1026W，

根據(jù)能量守恒,以太陽為中心、以日地距離d為半徑的球面上的總功率即為PS,故地球表面陽光直射的單位面積接受到的輻射功率為

1.49×103W/m2.

由于地球到太陽的距離遠(yuǎn)大于地球半徑,可將地球看成半徑為RE的圓盤,故地球接受太陽的輻射能功率PE為

PE=πRE2PE′=1.9×1017W.

正是由于太陽持續(xù)不斷的對地球“加熱”,才使得地球能夠保持“溫暖”.然而生命對環(huán)境的要求非?？量?環(huán)境溫度需在300 K附近,上下波動不超過幾十K,既不能過高也不能過低.有兩方面的原因使得這一條件得以滿足.一方面由于地表70%的面積被水覆蓋,而水的比熱非常大,因此在吸熱時溫度不會升高很快,在放熱時溫度也不會降低很快,起到了“恒溫?zé)嵩础钡淖饔?另一個因素是大氣層,通俗地說,大氣層就像一層厚厚的被子蓋在地球身上,防止熱量迅速散失,起到了“保溫”的作用.下面我們進(jìn)一步分析太陽輻射的特點以及大氣的影響.

從太陽光譜測得太陽輻射的峰值波長為λm=490 nm,恰好落在藍(lán)光區(qū)域,這表明太陽輻射的能量主要集中在可見光波段附近.也就是說,太陽輻射在可見光波段最強(qiáng).若將太陽看作黑體,將太陽輻射的峰值波長代入黑體輻射的維恩位移定律[1]

Tλm=b,

(1)

其中b=2.897×10-3m·K，可得太陽表面溫度近似為5900 K,即上述例題中所取的溫度值.這也是我們常說太陽表面溫度為6000 K的原因.同樣的,若將地球視為黑體,地表溫度大約為300 K,由維恩位移定律可知,地球輻射的電磁波波譜的峰值波長約為 9.7 μm,屬于紅外波段,也就是說地球所輻射出的能量主要集中在紅外范圍.而分子的振動能譜恰巧在這一區(qū)域,因而產(chǎn)生強(qiáng)烈的吸收,于是對地表起到了“保溫”的作用.同時大氣分子對太陽光譜中紅外波段能量的吸收使得到達(dá)地表的輻射功率減小,防止了地表溫度過高.我們用圖1和圖2來詳細(xì)闡明輻射和吸收的特點.

太陽的輻射功率譜如圖1[2]所示,其中橫坐標(biāo)為光子能量(以電子伏特為單位),圖中最上方給出了對應(yīng)的波長(以微米為單位),圖1中間下部用兩道豎線特別標(biāo)示出了可見光波段;縱坐標(biāo)為太陽功率譜(以W/m2/eV為單位).圖1中曲線A為大氣層外部的入射功率譜,曲線B為太陽在天頂位置時在海平面上的典型功率譜,B曲線上紅外波段的“深溝”是主要由水蒸氣引起的吸收帶.其他氣體分子和塵埃對于吸收和散射也有影響,比如臭氧引起紫外吸收.曲線A表明了太陽的輻射功率譜主要集中在紅外與可見光波段,然而經(jīng)過大氣的吸收和散射,特別是水蒸氣在紅外波段的強(qiáng)烈吸收,從曲線B可見,到達(dá)地表的輻射以可見光為主,換言之,大氣對可見光波段的吸收和散射是非常少的.曲線B為一樣例,不同地點、時間的功率譜不同,特別是云量多少的較大變化將對水蒸氣吸收帶的貢獻(xiàn)產(chǎn)生較大影響.因此有必要深入了解水對電磁波的吸收特性,如圖2所示.[2]

圖1

圖2的橫坐標(biāo)為電磁波頻率,縱坐標(biāo)為水的吸收系數(shù),圖中實線表示水的吸收曲線,中間兩條虛線表示出400 nm～700 nm的可見光波段.由圖2我們可以清楚地看到,水對可見光的吸收系數(shù)非常小.當(dāng)光的頻率稍稍偏離可見光頻段時,水對電磁波的吸收系數(shù)卻陡然上升了幾個數(shù)量級.這一特征解釋了為什么水蒸氣在空氣中所占比例并不高,但是在當(dāng)前討論的大氣對陽光的吸收問題中卻非常重要.雖然太陽輻射功率譜中有相當(dāng)一部分是在紅外波段,不過由于水蒸氣以及其他氣體分子的吸收,致使到達(dá)地表的太陽輻射中紅外波段能量已經(jīng)損失了很大一部分,并且這種紅外吸收的多少變化非常大,視天氣晴陰、云層厚度而定;另一方面大氣對于可見光波段的電磁波卻是非常透明的,該波段光譜到達(dá)地表時能量損失不大.可見光波段能量的減少除了一小部分是吸收引起以外,主要是空氣分子和塵埃的散射所致.[2]這一散射機(jī)制解釋了為什么白天是亮的,即我們不向太陽的方向看去卻依然能看到明亮的天空,以及天空為什么是藍(lán)色.順便指出,正是由于人們對水蒸氣吸收特性的研究,才結(jié)束了二戰(zhàn)期間開始的短波長雷達(dá)競爭.[2]雖然雷達(dá)波長越短分辨率越高,但是由于水的吸收系數(shù)隨頻率增加很快,如圖2所示,在潮濕空氣中雷達(dá)波會衰減很厲害.也正因為水對長波的吸收系數(shù)相對比較小,潛艇通訊只能采用長波波段.不過波長越長,所用天線尺寸也越大,這就從另一方面限制了潛艇通訊波長.

圖2 水的吸收系數(shù)

由圖1和圖2可知,由于大氣的吸收特性,大氣層對可見光是透明的,開設(shè)了一個“窗口”,并且由于太陽輻射的峰值功率集中在可見光附近,到達(dá)地表的輻射以可見光為主.于是我們豁然就明白了為什么無論是人、動物還是植物,都離不開可見光.正是源于大自然的這種巧妙安排,才產(chǎn)生了五彩繽紛的世界.這也許是進(jìn)化的結(jié)果吧,總之,地球生命不約而同地采用了這個強(qiáng)度最大的波段作為生存的工具.