Editorial Feature

为什么天空是蓝色的? - 光学的基本问题

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Aristotle,Leonardo da Vinci,Newton,Bouguer,De Saussure,Clausius和Tyndall都被蓝天的问题所吸引。在1871年的标志性纸张中,“在天空中的光线,其极化和颜色”,一个29岁的约翰威廉支撑(Lord Rayleigh)尝试通过简单的尺寸分析来展示小于光波长的粒子将根据波长的逆第四功率散射光。它现在被称为瑞利散射,它解释了为什么天空是蓝色的?

光是电磁辐射。阳光范围从高频(Gamma rays, UV light) to low frequencies (如红外和微波炉)。人类看到阳光作为白光,包括彩虹的颜色(VIBGYOR) - 辐射的可见部分。人眼可以仅感知到波长的辐射的窄部分:400nm(更短的波长,蓝光) to 700 nm (更长的波长,红灯).

阳光从距离到距离〜14960万公里到达地球。在如此大的距离,像我们的地球这样的大量物体很小。因此,来自阳光的所有光到达地球是平行的光束;而不是在地球的曲率上形成角度’S表面。在光线到达我们的眼睛之前,它符合地球的气氛。根据观察者在地球上的位置,光必须通过1个气氛厚度或多个大气厚度。这个阳光与分子相互作用(氧气,氮,氩等)存在于大气中。

当一束光辐射与颗粒相互作用时,说出分子或原子时,辐射的电场影响空气分子中的带电粒子(electrons),导致它们与波浪振荡。反过来,振荡电子将能量辐射回到大气中,如散射的辐射,在不同方向上传播。

这‘这种性质的散射现象是天空的蓝色的起源’.

当粒径与入射光的波长相当时,发生散射。

较短的波长(high frequency)与红灯相比,阳光的蓝光导致更多的振荡。更多振荡产生更多的散射,导致蓝光散射多于可见光的其他颜色。因此,产生的振荡与光的频率成比例。振荡越多增加了散射光的强度。由此获得的关系是散射光的强度与频率的第四功率成比例(ʋ4 or 1/λ4)。这是由Rayleigh主勋爵解释天空的公式。这使得蓝光的散射几乎是红色光的10倍。

那么明显的问题然后跟随,为什么不是天空紫罗兰,而是蓝色?与蓝光相比,紫光光的散射太大;在到达观察者之前,它的强烈散落,而红灯并不像蓝色一样散落。同样,天空出现在地平线附近的红色和橙色,当时阳光的行程路径长度长。

在日出和日落期间,天空的颜色不是蓝色,因为在到达观察者之前,光线在达到观察者之前较大的大气层,并且在过程中丢失的蓝光散落,并且只有散射较少的浅色(红色,黄灯)并到达眼睛。这导致散射仅留下视觉谱的红色末端的蓝光。基于频率,强度,行进和散射粒子的光散射的操作范围决定了天空的颜色。

作者Bohren,C. F.,&弗雷泽,A. B.解释说除了散射体的性质之外,你认为是天空的颜色所感受到的 “太阳光谱,波长依赖性散射和眼睛的响应”.

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本文已更新 12 TH. February, 2019.

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