天空明明是蓝色的,为什么落日却是红色的?
天空为什么是蓝色?夕阳为什么是红色?实际上这些都是物理现象,由于太阳光在穿过大气层时,空气分子会对阳光产生一种被称为“瑞利散射”的物理过程,波长越短的光,被散射的越厉害,因此导致了天空整体呈现蓝色,夕阳呈现红色等现象。
实际上在瑞利散射被提出之前,人们普遍认为天空的颜色与丁达尔效应有关,说起丁达尔效应,不少朋友都应该有印象,中学化学课上就学过,人们用这个效应来区分溶液和胶体,当光线穿过胶体时,会在光线路径上产生一条明亮的通路,而溶液则不会(背后的原因就是光在胶体内部发生了散射现象,虽然溶液也可以发生此现象,但过于微弱)。
因此当时的科学家为了解释天空为什么蓝色这个问题,就将丁达尔效应强行应用到大气上去,认为光线在穿过大气层时,会遇到空中的尘埃、小冰晶、水珠等众多的小颗粒,而阳光是一种复合光,在发生散射时,短波会更容易,而短波恰好对应的颜色是偏蓝的,所以天空呈现蓝色。(实际上对于尘埃、小冰晶等这些尺寸有些大的小颗粒,散射效应并不是很强,但理论上,散射现象也是存在的,因此从这个角度看来,用丁达尔效应解释,也算说得过去)
不过按照这个理论来讲,干旱地区与潮湿地区的天空颜色应该会有明显差异,因此不同地区所对应的大气环境并不是完全一致的,大气中的尘埃、小冰晶、水珠等数量都大有不同,因此如果用丁达尔效应解释的话,不同的地区的人们所看到的天空颜色应该是不一致的,然而事实却不是这样,不论是干旱、潮湿、严寒、酷暑,所有人看到的蓝天基本都是一个色调,这又该如何解释呢?
约翰·威廉·斯特拉特,瑞利男爵
直到瑞利散射被科学家发现,这个问题才得到了合理解释。简单来说,散射现象不仅出现在类似尘埃等小颗粒身上,对于气体分子同样会发生散射,并且散射量与波长的四次方成反比,或者说与频率的四次方成正比。
那这样导致的结果就是蓝光更容易散射,考虑这样一个场景,正午时分,太阳光穿过大气照射到地面,由于瑞利散射,蓝光在大气层中四处传播,最后再传播到人眼中,于是天空自然就是成了蓝色。
然而这个过程中太阳光经过的大气厚度比较薄,因此蓝光散射的不多,所以太阳本身包括四周的天空都不会显示红色,然而到了傍晚,太阳快落山时,光线穿过的大气层比较厚,因此蓝光散射的多,于是红光就比较明显了,这就是所谓的夕阳。
白天,太阳在头顶,当太阳光经过大气层时,与空气分子(其半径远小于可见光的波长)发生瑞利散射,因为蓝光比红光波长短,瑞利散射发生得比较激烈,被散射的蓝光布满了整个天空,从而使天空呈现蓝色。
但是太阳本身及其附近呈现白色或黄色,是因为此时看到更多的是直射光而不是散射光,所以日光的颜色(白色)基本未改变——波长较长的红黄色光与蓝绿色光(少量被散射了)的混合。
但因为人眼对不同颜色的敏感度不同,以黄绿色敏感度最高,往两边呈钟形分布,因此人眼对蓝色的敏感度远大于紫色,所以即使散射的可见光波长中紫光能量最高,人眼看起来仍是蓝色。
当日落或日出时,太阳几乎在我们视线的正前方,此时太阳光在大气中要走相对很长的路程,所看到的直射光中的蓝光大量都被散射了,只剩下红橙色的光,这就是为什么日落时太阳附近呈现红色,而云也因为反射太阳光而呈现红色,但天空仍然是蓝色的,只能说是非常昏暗的蓝黑色。
如果是在月球上,因为没有大气层,天空即使在白天也是黑的。