天空为什么是蓝色?干净的海水为什么是绿色?

蓝蓝的天空白云飘”.对这种美丽的景色,相信大家都有所感受.那么天空为什么是蓝色的?云为什么是白色的?对于这种奇妙的物理现象,并不是所有人都能说出原因.事实上,我们所观赏的这一美丽景象是天空中的大气分子、水滴、其他微粒和阳光共同作用的结果.
一、空气和太阳光
为了解释这种物理现象,首先简单了解一些空气和太阳光的知识.空气是在地球外面包裹着的一层“防弹衣”,保护着地球上生物不受紫外线的照射.空气并不是空的,是由很多的微粒组成.其中99％是氮气和氧气,其余则是别的气体(如二氧化碳、惰性气体等)、小水滴和来源于工厂的粉尘、风中的扬沙、火山爆发的岩灰等漂浮微粒.但是空气的成分并不是固定的,这依赖于所在的位置、天气和其他的不固定因素(如森林、海洋以及火山爆发和污染的严重与否).
光是能量以电磁波传播的一种方式,在真空中的传播速度为每秒30万千米.光和其他波(比如声波)不同的是具有波粒二象性.这是因为光是由一种无质量的粒子——光子组成,所以光不但具有波的特性,还有粒子的特性.光传递能量的大小与光的频率成正比,而光的频率正好决定其颜色.但我们的眼睛只能看到其中特定频率范围内的光,称之为可见光,频率过高(紫外线)和过低(红外线),我们都看不见.
对于太阳光,牛顿首先用三棱镜发现其中包含着赤、橙、黄、绿、蓝、靛和紫7种颜色.可以用一个小实验(如图1所示)即可观察到“七彩阳光”.取装入水的玻璃缸放在房子中阳光入射的地方,然后在水中放一面小镜子,用一张白纸接收从盆中小镜子反射的光,根据光的折射原理,即可从白纸上看到一个漂亮的人造彩虹.在7种不同的光中,红光波长最长(频率最低),紫光波长最短(频率最高).我们肉眼所看到的是它们的混合结果.
二、天空为什么是蓝色的
除非有外界干扰,光都是以直线传播的.当光在空气中传播时,不可避免要遇到空气中的气体分子和其他微粒.这些微粒对光有吸收、反射和散射等物理作用,正是这些物理作用使得晴日里天空成为蔚蓝色.
正确解释天空为什么是蓝色始于1859年.科学家泰多尔首先发现蓝光要比红光散射强得多,这就是“泰多尔效应”.几年之后,科学家瑞利更详细地研究了这种现象,他发现散射强度与波长的4次方成反比.后来,更多科学家称这种现象为“瑞利散射”.瑞利散射很容易通过下面一个小实验来验证(如图2所示)：用一个盛满水的水杯,然后往水杯中滴入几滴牛奶,用手电筒做光源,从水杯的一侧照射,从水杯的另一侧看到的是红光,而从垂直于光线的方向看到的却是蓝色(在黑暗处效果更明显).
当时,泰多尔和瑞利都认为天空的蓝色是由于空气中有小的粉尘微粒和小水滴所致,这些小的粉尘微粒和小水滴就类似于水中的牛奶悬浮颗粒.即便今天,也有许多人这样认为.事实上并非如此,如果天空完全是由于小的粉尘微粒和小水滴引起的,那么天空的颜色将随着湿度而变,事实上天空的颜色随着湿度的变化非常小,除非下雨或者乌云密布.后来科学家猜测用空气中的氮气和氧气分子足以解释天空中的“泰多尔效应”.这种猜测最终被爱因斯坦所证实,他对这种散射效应作了详细的计算,并且计算结果与实验相符合.
我们所看到的蓝天是因为空气分子和其他微粒对入射的太阳光进行选择性散射的结果.散射强度与微粒的大小有关.当微粒的直径小于可见光波长时,散射强度和波长的4次方成反比,不同波长的光被散射的比例不同,此亦成为选择性散射.当太阳光进入大气后,空气分子和微粒(尘埃、水滴、冰晶等)会将太阳光向四周散射.组成太阳光的红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫7种光中,红光波长最长,紫光波长最短.波长比较长的红光透射性最大,大部分能够直接透过大气中的微粒射向地面.而波长较短的蓝、靛、紫等色光,很容易被大气中的微粒散射.以入射的太阳光中的蓝光(波长为0.425μm)和红光(波长为0.650μm)为例,当光穿过大气层时,被空气微粒散射的蓝光约比红光多5.5倍.因此晴天天空是蔚蓝的.但是,当空中有雾或薄云存在时,因为水滴的直径比可见光波长大得多,选择性散射的效应不再存在,不同波长的光将一视同仁地被散射,所以天空呈现白茫茫的颜色.
如果说短波长的光散射得更强,你一定会问为什么天空不是紫色的.其中一个原因就是在太阳光透过大气层时,空气分子对紫色光的吸收比较强,所以我们所观测到的太阳光中的紫色光较少,但并不是绝对没有,在雨后彩虹中我们很容易观察到紫色的光.另外一个原因和我们的眼睛本身有关.在我们的眼睛中,有3种类型的接收器,分别称之为红、绿和蓝锥体,它们只对相应的颜色敏感.当它们受到外界的光刺激时,视觉系统会根据不同接受器受到刺激的强弱重建这些光的颜色,也就是我们所看到物体的颜色.事实上,红色锥体和绿色锥体对蓝色和紫色的刺激也有反映,红锥体和绿锥体同时接受到阳光的刺激,此时蓝锥体接收到蓝光的刺激较强,最后它们联合的结果是蓝色的,而不是紫色的.