110年統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)熵解釋天空藍(lán)色理論質(zhì)疑

包月英 開小明

摘 要：介紹了丁鐸爾散射模型，瑞利散射理論和愛因斯坦熵統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)理論，解釋天空藍(lán)色的歷史。前兩種理論存在不足，愛因斯坦理論也只是附和了上述兩種理論，依照他們的理論天空應(yīng)該如月球是無(wú)色的。他們的理論搞錯(cuò)了引起天空藍(lán)色的散射光來(lái)源，作者認(rèn)為，是地表的光線散射到大氣，然后瑞利散射到地表，所以看到天空為藍(lán)色，因此110年愛因斯坦天空藍(lán)色理論受到質(zhì)疑，還說(shuō)明了因衍射而使火星和沙塵暴時(shí)天空為藍(lán)色。

關(guān)鍵詞：天空藍(lán)色; 丁鐸爾散射; 瑞利散射; 愛因斯坦; 熵; 平行光; 火星; 沙塵暴

中圖分類號(hào)：P401，P402? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：1006-3315（2020）10-154-001

可見光波長(zhǎng)從750-400nm，其顏色依次為：紅、橙、黃、綠、青、青藍(lán)、藍(lán)、紫八種顏色，肉眼對(duì)紅色最敏感，對(duì)紫色不太敏感。光學(xué)在光纖通信、微電子技術(shù)和軍事上都有非常重要的應(yīng)用。

天空為什么是藍(lán)色的？大小權(quán)威的教育和科學(xué)網(wǎng)站標(biāo)準(zhǔn)答案：“空氣中會(huì)有許多微小的塵埃、水滴、冰晶等物質(zhì)，當(dāng)太陽(yáng)光通過空氣時(shí)，波長(zhǎng)較短的藍(lán)、紫、靛等色光，很容易被懸浮在空氣中的微粒阻擋，從而使光線散射向四方，使天空呈現(xiàn)出蔚藍(lán)色。”在一些文獻(xiàn)和媒體上權(quán)威專家也是類似如此解釋的[1-5]。這個(gè)“天藍(lán)”解釋，只是十九世紀(jì)中葉的水平，它是英國(guó)物理學(xué)家丁鐸爾（John Tyndall）首創(chuàng)的，常稱作丁鐸爾散射模型。人們認(rèn)為它沒有完全解釋“天藍(lán)”的原因。如果天藍(lán)主要是由水滴冰晶等微粒的散射引起的，那么，天空的顏色及深淺，就應(yīng)隨著空氣濕度的變化而變化。因?yàn)楫?dāng)濕度變化時(shí)，空氣中水滴冰晶的數(shù)目會(huì)明顯變化。潮濕地區(qū)和沙漠地區(qū)的濕度差別很大，實(shí)際天空差不多是一樣的藍(lán)，丁鐸爾散射模型解釋不了。到十九世紀(jì)末，丁的天藍(lán)解釋已被質(zhì)疑。

1880年代，瑞利（John Rayleigh）注意到，根本不必求助塵埃、水滴、冰晶等空氣中的微粒，空氣本身的氧和氮等分子對(duì)陽(yáng)光就有散射，而且也是藍(lán)色光容易被散射。所以，氣體分子的散射就可以作為“天藍(lán)”的主因。然而，各個(gè)分子有散射，不等于空氣整體會(huì)有藍(lán)色。如果純凈的空氣是極均勻的，分子再多也沒有“天藍(lán)”。就像一塊極平的鏡子，只有折射或反射，而極少散射。在均勻一致的環(huán)境中，不同分子的散射相互抵消了，這由瑞利散射公式得到說(shuō)明[6]。太陽(yáng)光射向地球是平行光，據(jù)此瑞利散射的結(jié)果，天空是無(wú)色的。1899年，瑞利寫了另一篇文章“論天空藍(lán)色之起源”，似乎也不完美。

1910年，人們認(rèn)為愛因斯坦最終解決了這個(gè)問題。愛因斯坦用當(dāng)時(shí)剛剛發(fā)展的熵統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)理論證明：那怕最純凈的空氣，也是有漲落起伏的?？諝獗旧淼拿芏葷q落也能散射，自然是波長(zhǎng)短光容易被散射，藍(lán)色能被肉眼看見，我們看到是藍(lán)天。如果空氣是理想氣體，愛因斯坦的結(jié)果就同瑞利的一樣。所以，簡(jiǎn)單地說(shuō)，天空藍(lán)色之起因是：“空氣中有不可消除的‘雜質(zhì)，即空氣自身的漲落。密度漲落等對(duì)陽(yáng)光的散射，形成了藍(lán)天?！薄疤焖{(lán)”物理學(xué)的一個(gè)重要應(yīng)用，是光纖通訊，高錕先生獲得物理諾貝爾獎(jiǎng)的項(xiàng)目[7]。

作者認(rèn)為，人們不能完美解釋天藍(lán)理論原因，是忽略了一個(gè)問題：太陽(yáng)輻射通過大氣層后，到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射能量比大氣上界小得多，在可見光譜區(qū)減少至40%[8]。瑞利散射的散射強(qiáng)度與波長(zhǎng)的4次方成反比，即光的波長(zhǎng)越短，散射越強(qiáng)。透射到地表的可見光，散射到大氣層，遇到氮、氧氣體分子，以及各種粒子，依瑞利散射原理，優(yōu)先將短波長(zhǎng)光散射到地表，我們看到天空是藍(lán)色（紫色光肉眼不敏感）。天空藍(lán)色深淺，與背景光強(qiáng)度有關(guān)，你在草原、沙漠、青藏高原看到天空藍(lán)色稍有不同。

沒有月光的城市夜空，城市燈光經(jīng)天空散射后，天空的顏色也是藍(lán)色的。太陽(yáng)光散射到外太空，從外太空看地球是蔚藍(lán)色。日出和日落時(shí)，由于地表水蒸氣和其他塵埃影響，面對(duì)太陽(yáng)，波長(zhǎng)短的藍(lán)色光被散射，看到的是紅色透過光的紅太陽(yáng)，但一轉(zhuǎn)背，可看見光因各種粒子瑞利散射，天空呈藍(lán)色。

天空為藍(lán)色的解釋應(yīng)改為：當(dāng)透射到地表的可見光散射到大氣層時(shí)，波長(zhǎng)較短的藍(lán)、紫色光等，很容易被空氣中氮、氧氣體分子，以及許多微小的塵埃、水滴、冰晶等物質(zhì)阻擋，從而使光線散射向地表，天空呈現(xiàn)出蔚藍(lán)色。如此看來(lái)，到2020年已110年天藍(lán)理論受到質(zhì)疑。

至于火星和沙塵暴時(shí)天空為什么看到是藍(lán)色[5]？沙塵微粒可類似于非晶體中的原子，光線照射時(shí)會(huì)發(fā)生衍射，微粒間距小，只有波長(zhǎng)短的藍(lán)光最易衍射，通過沙塵暴層，所以看到天空為藍(lán)色。

參考文獻(xiàn)：

[1]科學(xué)探索家.你知道天空為什么是藍(lán)的嗎2019-06-18[2020-7-28]

[2]Ethan Siegel.萌大統(tǒng)領(lǐng)編譯.你真的知道天空以及我們的地球，為啥都是藍(lán)的嗎？2017-09-28[2020-7-28]

[3]曉童美術(shù)課堂.地球的天空為什么是藍(lán)色的2020-04-20[2020-07-28]

[4]張新榮.清華大學(xué)儀器分析教學(xué)錄像——拉曼光譜法（一）p37.2019-08-28[2020-7-28]

[5]CCTV-1綜合頻道.火星上的落日是什么顏色.2017-11-05[2020-7-28]

[6]李錦瑜，曾道剛.瑞利散射公式討論[J].大學(xué)化學(xué)，1992，7（1）：58-60+57

[7]羅百竹.“天為什么是藍(lán)色的”一百年.2014-06-11[2020-7-28]

[8]劉冰川.太陽(yáng)輻射.科普中國(guó)·科學(xué)百科，2019-08-12[2020-7-28]