天空为什么是蓝的?我们认为理所当然的现象背后隐藏着宇宙奥秘
当我们躺在草地上,微风拂面,蔚蓝的天空映入眼帘,身心感到放松时,你有没有想过,天空为什么是蓝色的呢?为什么不是其他颜色,比如粉色、绿色呢?
就是这我们已经习以为常的自然现象,背后隐藏的物理规律却并不简单,说它不简单,那是因为关于“天空为何蓝色”的正确解释,直到19世纪末20世纪初才由科学家给出了完善答案,要知道那时已经距离牛顿开创经典力学体系已经过去了足足两个多世纪。不过从科普文章的角度出发,咱们只需要定性的了解这些规律即可,这样来说,其实也不算复杂。
关于历史上是谁第一个对天空为何是蓝色做出相关解释的(解释并不需要正确),咱们已经无从得知,但咱们可以先自己思考一下这个问题。
首先不管天空是什么颜色,前提都是空中的光子进入我们的眼睛,从而让我们看到了天空的状态,而这些光子是从哪里来的呢?
要知道大气层是不可能自己发光的(应该说在没有外来物的情况下,不可能持续发出可见光),而这里的光子自然是太阳“送”过来的,但我们都知道太阳光是复合光,是因为牛顿利用三棱镜发现了太阳光可以分解成多种颜色的光,因此天空的蓝色是不是也因为天空中存在着类似三棱镜一样的东西,将光分解了?
但仔细一想,这样并不正确,太阳光经过三棱镜会分解成数种颜色的光,那是因为折射的原因,如果是这样,我们看到的天空不应该只是单一的蓝色,而是七彩斑斓的才对。如果不是折射的原因,难道是因为蓝色光在穿越大气层的途中被“阻拦”了下来,导致它们无法抵达地面,只能在大气层内不断的“游荡”?
总的来讲,这是一个光学现象,涉及光线穿越介质时的情况,因此我们可以从相类似的丁达尔效应说起。
关于这个效应,相信很多读者朋友在学习中学化学时都有接触,老师告诉我们,丁达尔效应可以用来区分溶液和胶体,你只需要用一束光对准要区分的液体,如果里面出现了一条光亮的通路,那就意味着这是胶体溶液。
丁达尔效应是英国科学家约翰·丁达尔于1869年发现的,其背后的微观解释是因为胶体溶液中存在大量直径不超过100纳米的小微粒,这些微粒的直径小于可见光波长范围,因此当光线通过时,就会发生散射的现象(如果微粒的直径过大,比光波长还要大很多时,就会出反射现象)
因此当时的人们用丁达尔效应用来解释天空的颜色,认为是由于大气中存在大量的灰尘、小水滴、冰晶等众多的小微粒,而太阳光在通过大气时,会不可避免的遇到这些微粒,将太阳光中的波长较短的蓝色光散射到整个天空当中,因此整个天空才会呈现蓝色。
这种解释看上去似乎并没有什么问题,不过实际上在丁达尔效应中,散射光的强度与入射光波长之间的关联并不是很强,虽然理论上还能说的过去,但放到现在来看,却并不是正确答案,关键问题出在了“大气中的灰尘、水滴等小微粒”这一点上。
我们知道,虽然空气中含有类似于尘埃、水滴等小微粒是“理所当然”的,但这些小微粒的浓度却是一个变量,而浓度直接影响着散射程度,散射程度的不同又直接导致天空的颜色出现差异。
但实际上,草原上的天空和沙漠上的天空似乎没有什么区别啊,这显然与丁达尔效应的解释不一致。如果概括来讲,就是丁达尔效应解释“天空为何是蓝色”,它的结论应该为:不同地区由于环境不一样,因此天空的颜色差异会很明显。
但实际上,这一点并不存在,那么天空到底为什么呈现蓝色呢?
现在我们已经能把大气中的杂质小微粒的影响排除了(至少不是主要原因),那么还有什么呢?思来想去,似乎就只有大气本身了,难道是因为大气中的各种气体分子吗?
很幸运,我们的想法和著名物理学家约翰·威廉·斯特拉特走到一块(也就是瑞利男爵,因此后人直接称其为瑞利,这种叫法也体现在物理学家开尔文身上,实际上他的本名叫做威廉·汤姆逊)
在经过仔细研究后,瑞利发现,散射现象不仅仅会发生在杂质微粒身上,对于单独的原子或分子而言,散射现象同样会发。这被称为瑞利散射,一般来说,当粒子的直径远小于入射光波长时(不超过波长的十分之一),散射光的强度同入射光的频率呈四次方正比关系(也即是和波长呈四次方反比),因此对于波长越短的光,散射就会越强,如果以太阳光为例,那么位于可见光范围内的短波蓝紫光就最容易被散射开。
那么对于非常纯净的大气环境下,即便其内部没有悬浮的各种尘埃、冰晶等杂质微粒,也会由于大气分子的散射作用,而使得太阳光中的蓝紫光被散射开,从而弥漫到整个大气层,因此瑞利散射是天空呈现蓝色的原因。
而日落时的夕阳正是这一理论的最好验证。
考虑到地球是一个球体,因为包裹地球的大气层可以看做是一个球壳,一般在每天正午左右,太阳位置达到每天的最高点,此时太阳光从大气层穿透到地面上时,经历的大气层厚度是一天当中最短的;而到了日落(或者日出)时,太阳光所经历的大气层厚度是一天当中最长的,关于这一点从下图比较直观的看出来
而穿过的距离越长则意味着更多的蓝紫光被散射,于是最后只有偏红的光抵达地面,这就是为什么在日落时的太阳呈现出咸鸭蛋黄的颜色,不过值得注意的是,这种红色只在太阳附近出现,而其余更大部分的天空,仍旧显示蓝色或者更暗的颜色(毕竟太阳要落山了,即将要进入夜晚)
大家都在看
-
1300万光年外:科学家发现黑洞似乎轰击了什么物体! 钱德拉X射线望远镜拍摄的黑洞喷流,展现了一幅壮观的宇宙景象。漫长的时间里,这些喷流以惊人的速度从黑洞两极喷出,延伸着,如同守护者般守护着宇宙的秘密。尤其是在2024年10月,天文学家们在其中发现了一个异常的 ... 宇宙探索12-24
-
探索宇宙终极奥秘的神秘数列 ——山师附小2022级4班家长讲坛活动 斐波那契数列描述了万事万物自然增长的规律,契合了宇宙最底层的规则,揭示了宇宙演化的自然密码。10月28日,三年级四班徐翊珊同学的妈妈走进山东师范大学附属小学课堂,和同学们一起探究斐波那契数列。徐翊珊妈妈从 ... 宇宙探索12-24
-
B站2025纪录片片单一览:国内作品聚焦朴素情感,国外作品探索宇宙人文之谜 极目新闻记者 张聪纪录片爱好者又一年的精神食粮发布了,日前,B站对外发布2025年纪录片片单,18部作品除了《守护解放西6》《闪闪的儿科医生3》《但是还有书籍3》等众望所归的经典续作,还涌现了大批涵盖社会、美食 ... 宇宙探索12-24
-
俄罗斯宇航员太空行走,宇宙探索迎新进展 12 月 20 日,一则来自太空的捷报振奋人心,俄罗斯宇航员阿列克谢・奥夫钦宁与伊万・瓦格纳成功完成太空行走任务,为宇宙探索事业再添助力。图片来源(NASA)此次太空行走按莫斯科时间周四下午 6 点 36 分启动,原计 ... 宇宙探索12-24
-
探索宇宙!国产重型运载火箭的现在与未来 “长征”5号的技术创新及中国重型火箭发展规划“长征”5号火箭是我国运载火箭升级换代的重大标志性工程,在研制过程中,攻克了以全新构型火箭的总体优化设计、5米大直径箭体结构、无毒无污染低温动力等为代表的12类2 ... 宇宙探索12-23
-
## 浩瀚宇宙,我们能知道多少?一场幽默的宇宙探索之旅 朋友们!你们有没有想过,我们生活的这个宇宙到底有多大?是不是觉得自己的脑袋都快想破了?别急,今天我们就来一场幽默的宇宙探索之旅,看看在这浩瀚的宇宙中,我们到底能知道多少。首先,让我们来聊聊宇宙的起源。 ... 宇宙探索12-22
-
宇宙的无尽旅程:你敢想象尽头在何方吗? ## 描述你是否曾想过,宇宙的边界到底在哪里?是无尽的星辰还是某个神秘的终点?今天,我们就来聊聊这个迷人的话题,带你一起探寻宇宙的尽头!---你有没有想过,浩瀚的宇宙,有没有一个尽头?这是一个古老而又激动人 ... 宇宙探索12-22
-
虚拟现实与宇宙探索:人工智能打造的沉浸式星际之旅 在科技飞速发展的时代,虚拟现实和人工智能携手为人类开启了一扇通向宇宙深处的奇幻之门,打造出前所未有的沉浸式星际之旅。虚拟现实技术让我们得以身临其境地感受宇宙的浩瀚与神秘。以往,我们只能通过书籍、图片和 ... 宇宙探索12-22
-
宇宙探索:奇异的星系怪物 大伙儿有没有想过,咱们平常抬头看看天上的星星,那可都是宇宙中的"明星"啊!今儿个我跟大家聊聊那些在宇宙中长得奇奇怪怪的星系,说出来你可能不信,有的像两只老鼠咬耳朵,有的活脱脱一个大海星,还有的就跟个大 ... 宇宙探索12-22
-
天文观测的艺术:如何用望远镜探索宇宙 在浩瀚无垠的宇宙中,星星如同无数的故事,等待着我们去探索和解读。天文观测不仅是科学研究的基础,更是一门艺术,它将人类的好奇心与宇宙的奥秘结合在一起。通过望远镜,我们能够揭开宇宙的神秘面纱,探索遥远星系 ... 宇宙探索12-21
相关文章
- 宇宙探索:奇异的星系怪物
- 天文观测的艺术:如何用望远镜探索宇宙
- 宇宙究竟存不存在尽头呢?如果有尽头之外又有什么呢?
- 探索宇宙的起源与终结
- 为什么人类要不停地探索外太空?
- 宇宙五大未解谜团:每一个答案都可能改变世界
- 宇宙探索新成果:月球形成时间确定为45.1亿年
- 【探索宇宙】2024年中国航天新亮点!卫星互联网建造拉开大幕→
- 人类最接近外星生命的一次!木卫二冰层下的地下海洋可能存...
- 9小时出舱活动刷新中国和世界纪录,航天员如何在太空中生存?
- 美国宇航局 宇宙新发现:“花环” 恒星圈与 “圣诞树簇” 的奥秘探索
- 那为什么太空是黑的呢?太阳却照亮地球
- 穿越星际的冒险:探索宇宙机器人游戏的无限可能
- 红外空间天文台:宇宙探索的璀璨明珠
- 探索宇宙奥秘,地下700米的国之大器进入最后关键节点
- 飞船到达240亿公里深空,发现一个残酷现实,人类被困在太阳系?
- 探索多维宇宙:超越时空的奇妙之旅 #平行
- 探索宇宙的奥秘:黑洞与引力波--天文学的两大奇迹
- 震惊!宇宙万亿星系探索,人类或成唯一智慧生命
- 廖渊:以水墨探索时间与宇宙
热门阅读
-
预言2030年太阳将休眠,恐怖的千年极寒将来临 07-11
-
中国十大元帅之死,多高寿而善终(林彪叛逃而死) 07-11
-
因果报应真实事例,做尽坏事必遭天谴 07-11
-
全球人口减少可能带来的六大教训和好处 07-18
-
离太阳最近的十大恒星排名,宇宙最大十大星球 04-12