利用高中物理知識(shí)解釋天空為什么是藍(lán)色的

馮靖淇

1.引言

從小時(shí)候我們仰望天空開始，就看到了藍(lán)藍(lán)的天空，尤其是雨過(guò)天晴之后的天空是尤其的藍(lán)，看著就讓人心曠神怡。從小時(shí)候開始我們就有一個(gè)疑問(wèn)，為什么天空是藍(lán)色的呢？我們現(xiàn)在已經(jīng)學(xué)習(xí)了高中物理知識(shí)，我們能不能用我們所學(xué)到的知識(shí)來(lái)解釋天空為什么是藍(lán)色的呢？我們?cè)谛抡n標(biāo)高中物理選修3-4中學(xué)習(xí)過(guò)光學(xué)的知識(shí)，包括光的色散、光的折射定律等等，下面我們就通過(guò)所學(xué)的光學(xué)知識(shí)來(lái)解釋天空為什么是藍(lán)色的原因。

2.理論解釋

高中物理我們學(xué)過(guò)[1]，復(fù)色光分解為單色光而形成光譜的現(xiàn)象叫做光的色散。色散可以利用棱鏡或光柵等作為色散系統(tǒng)的儀器來(lái)實(shí)現(xiàn)。復(fù)色光進(jìn)入棱鏡后，由于它對(duì)各種頻率的光具有不同折射率，各種色光的傳播方向有不同程度的偏折，因而在離開三棱鏡時(shí)就各自分散，形成光譜。太陽(yáng)光看起來(lái)是白色的，但其實(shí)是由紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛和紫七種顏色組成。早在1666年牛頓利用三棱鏡實(shí)驗(yàn)便證實(shí)了這一點(diǎn)，把白光分解為彩色光帶。太陽(yáng)光經(jīng)過(guò)三棱鏡折射后，從上到下我們依次看到的是紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛和紫七中顏色。對(duì)同一種介質(zhì)，光的頻率越高，介質(zhì)對(duì)這種光的折射率就越大。在可見光中，紫光的頻率最高，紅光頻率最小。當(dāng)白光通過(guò)三棱鏡時(shí)，棱鏡對(duì)紫光的折射率最大，光通過(guò)棱鏡后，紫光的偏折程度最大，紅光偏折程度最小。這樣，三棱鏡將不同頻率的光分開，就產(chǎn)生了光的色散。

下面來(lái)說(shuō)一說(shuō)我們地球的大氣層。大氣層是因重力關(guān)系而圍繞著地球的一層混合氣體，是地球最外部的氣體圈層，是地球的保護(hù)屏障，包圍著海洋和陸地。大氣圈沒有確切的上界，在離地表2000-16000公里高空仍有稀薄的氣體和基本粒子。地球大氣的主要成分為氮、氧、氬、二氧化碳和不到0.04%比例的微量氣體，這些混合氣體被稱為空氣。由于大氣層上部大氣多為質(zhì)子組成，為大氣圈向外層空間的過(guò)渡地帶，稱為外層也叫散逸層;距離地面10-50千米左右的氣層稱為平流層，平流層內(nèi)的空氣比對(duì)流層要稀薄很多，很少會(huì)出現(xiàn)天氣現(xiàn)象，平流層中在15-35千米的范圍內(nèi)，有厚約20千米的臭氧層;對(duì)流層是最靠近地面的，大氣中主要的天氣現(xiàn)象（如云、霧、雨、雪、雹等）都形成在此層內(nèi)，這一層富集了如氮?dú)?、氧氣、氬氣等氣體，還有各種人為排放的顆粒物。

當(dāng)自然光在進(jìn)入地球的過(guò)程中，前進(jìn)的路線上碰到大氣層中這些障礙物，傳播方向就會(huì)發(fā)生改變，發(fā)生散射現(xiàn)象。下面我們就來(lái)看一看，什么是光的散射。光的散射（scatteringoflight）是指光通過(guò)不均勻介質(zhì)時(shí)一部分光偏離原方向傳播的現(xiàn)象。偏離原方向的光稱為散射光。我們知道，光無(wú)論是在空氣、水或是其他介質(zhì)中，總是沿著直線傳播。一旦遇到一個(gè)小的顆粒，就有一部分光線偏離原來(lái)的方向向四面八方傳播。散射光的波長(zhǎng)與入射光相同，而其強(qiáng)度與波長(zhǎng)的4次方成反比的散射，稱瑞利散射定律，由英國(guó)科學(xué)家瑞利于1871年提出。也就是說(shuō)大氣中有幾種不同顏色的光，就有幾種不同的光的波長(zhǎng)。大氣對(duì)不同顏色光的散射強(qiáng)度與光的波長(zhǎng)的4次方成反比。不同波長(zhǎng)的光被散射的比例不同，此亦成為選擇性散射。

當(dāng)太陽(yáng)光進(jìn)入大氣后，空氣分子和微粒（包括塵埃、水滴、冰晶等）會(huì)將太陽(yáng)光向四周散射。組成太陽(yáng)光的紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫7種光中，紅光波長(zhǎng)最長(zhǎng)，紫光波長(zhǎng)最短。波長(zhǎng)比較長(zhǎng)的紅光透射性最大，大部分能夠直接透過(guò)大氣中的微粒射向地面。而波長(zhǎng)較短的藍(lán)、靛、紫等色光，很容易被大氣中的微粒散射。由瑞利散射與波長(zhǎng)的關(guān)系可以看出，波長(zhǎng)越短瑞麗散射的強(qiáng)度越大，因此波長(zhǎng)較短的藍(lán)光（波長(zhǎng)約為450納米）會(huì)比波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅光（波長(zhǎng)約為600納米）散射更強(qiáng)。以入射的太陽(yáng)光中的藍(lán)光和紅光為例，當(dāng)光穿過(guò)大氣層時(shí)，被空氣微粒散射的藍(lán)光約比紅光多約6倍[2]。經(jīng)過(guò)大氣層中無(wú)數(shù)顆粒的多次散射后，短波波段的藍(lán)色光線相比其它波長(zhǎng)更長(zhǎng)的光線變得更強(qiáng)，因此晴天天空是蔚藍(lán)色的。但是，當(dāng)空中有霧或薄云存在時(shí)，因?yàn)樗蔚闹睆奖瓤梢姽獠ㄩL(zhǎng)大得多，選擇性散射的效應(yīng)不再存在，不同波長(zhǎng)的光將一視同仁地被散射，所以天空呈現(xiàn)白茫茫的顏色。你一定還會(huì)有一個(gè)問(wèn)題，既然波長(zhǎng)越短散射越強(qiáng)，為什么天空是藍(lán)色而不是紫色？上面提到平流層有一層臭氧層，臭氧對(duì)太陽(yáng)輻射的紫外線有強(qiáng)烈的吸收作用，因此能夠到達(dá)地面的紫光很少，再加上我們的眼睛對(duì)紫色不如藍(lán)色那樣敏感，所以雖然紫光比藍(lán)光波長(zhǎng)更短，但我們看到的天空不是紫色而是藍(lán)色的。

3.結(jié)論

本文通過(guò)高中物理所學(xué)光的色散和光的散射現(xiàn)象解釋了天空為什么是藍(lán)色的原因，解釋的方法通俗易懂，思路清晰。太陽(yáng)光經(jīng)過(guò)大氣的散射較為復(fù)雜，本文利用新課標(biāo)高中物理選修3-4中的光學(xué)知識(shí)通俗易懂地解釋了天空為什么是藍(lán)色的原因，用較為簡(jiǎn)單的理論清晰地解釋了天空呈現(xiàn)藍(lán)色的相關(guān)物理原因，為利用高中物理知識(shí)來(lái)解釋天氣和天文現(xiàn)象提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1]張維善，普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理選修3-4，人民教育出版社，2018.

[2]莊著向，天空為什么是藍(lán)色的，現(xiàn)代物理知識(shí)，16卷4期，2004.