天空為什么是藍的

[摘 要]俗話說“海闊憑魚躍，天高任鳥飛”，藍色天空和藍色海洋都是寬廣遼闊與自由的象征，可是為什么天空和海洋都是藍色的呢？本文將就天空與海洋為什么都是藍色的問題展開對瑞利散射的介紹，通過比較不同頻率瑞利散射的大小來說明天空和大海為什么都是藍色的這兩個生活中常見的復雜問題。

[關鍵詞]瑞利散射

天是藍色的，從我們認知世界開始就這樣認為，可是這背后的原因是什么呢？這個問題同樣也引發了英國物理學家瑞利爵士的思考，在此之前很多科學家也做出各種假設，不過大多不合理。瑞利是十九世紀著名的物理學家，瑞利以嚴謹、廣博、精深著稱，并且多次用簡單的實驗裝置獲得精準的實驗數據。在眾多學科中都有成果，他曾測量過氣體密度，發現過惰性氣體，對物理學和化學的發展做出了卓越的貢獻。本文討論的是瑞利的另外一項重要發現——瑞利散射。

一、瑞利散射

瑞利散射，因英國物理學家瑞利率先提出，因而得名，描述的是半徑比光波波長小很多的粒子對光的散射，可以用下面的式子來表述：其中 I（λ）入射 表示的是入射光的強度，所以這個公式說明，波長越短的光波越容易發生瑞利散射

二、天為什么是藍的？

天為什么是藍的？首先我們先要引用一個關于“阿波羅”號登月的紀錄片中的描述，從月球上看天空，是漆黑的一片。這是很好理解的，假設我們站在一個無限大且什么都沒有的暗室中，整個暗室內只有一個點光源，那么我們只有在望向點光源的時候才能感受到光，而點光源以外的地方就是漆黑一片，所以在月球上，天空是黑色的，只有望向太陽和其他星體的時候才能看到光。為什么月球的天空是黑的而地球的就是藍的呢？

原因就是月球沒有大氣層！大氣層影響了天空的顏色嗎？是的！以地球為例，眾所周知，地球大氣層的成分很復雜，主要成分是氮氣和氧氣，姑且把這兩種分子都看做是球體（其實不是，氮氣和氧氣都是雙原子分子，可以想象成兩個靠的很近的彈性小球，這里我們把整個氣體分子看做是一個小球），那么這個球體的直徑大概只有0.3納米，對比之下，可見光的波長范圍大概在380納米到780納米范圍內。這里列舉這兩種分子并不是單單的說只有這兩種分子因其瑞利散射，其實，大氣層中的其他成分比如水分子，細小塵埃都是引起瑞利散射的主要原因，這里列舉這兩種分子只是想在數值上給讀者一個直觀的認識！根據上文介紹的瑞利散射發生條件——“粒子半徑比光波波長小很多”，光在大氣中傳播時會發生瑞利散射！

正是因為瑞利散射使藍紫光在大氣中得到一部分散射所以我們無論從哪個角度看天空都是蔚藍的。

那么相比起來紫色的光波長相對藍光更短，為什么天空看起來不是紫色的呢？這是因為空氣自身也是有熵的，說的直接點，空氣也是有自身漲落的，再通俗一點的說空氣畢竟不是靜止的，所以一定會有一個密度的漲落，正是這個密度漲落決定了我們看到的天空不是紫的，而是蔚藍的！

那么我們看到的天空可以是紫的么！答案是可以！前面提到，密度的漲落決定紫光在散射時發生吸收、反射等一系列復雜過程導致我們看到的是藍色的散射光，那么不同大氣密度下散射、吸收、反射等過程程度會有所改變。所以不同大氣密度下我們看到的天空顏色不一樣的，舉例來說：假如我們可以站在在8公里高的大氣層上的一個點仰望天空，由于大氣密度變稀薄，我們看到的天空大概是青色的，有意思吧？再往高一點大概11000米高度，天空就變成了暗青色，再往上一點大約13000米高度，天空已經變成了暗紫色。依然往上，在21000米的高空仰望藍天，這個時候藍天已經不再是藍天了應該叫做黑紫天，如果還往上，由于大氣密度過于稀薄，色散已經不太明顯，天空就變成了黑色了，道理就如同前面提到的月球上的天空是黑的。

可以說，瑞利散射在一定程度上減弱了太陽光直射到地球上的強度對地球上的生命來說，也是一種天然的保護。

三、海為什么是藍色的

在討論還是什么顏色之前我們先要討論另外一個問題，葉子是什么顏色呢？綠色？對！為什么葉子是綠色呢，因為葉子中的葉綠素吸收了大部分其他顏色的光進行光合作用，但在光合作用中綠光的利用率不高，也就是說葉綠素沒有吸收綠光而是反射了綠色光，所以葉子看起來是綠色的。

我們都有這樣的常識，坐在輪船上看大海時，大海是藍色的，但是將海水裝進瓶子里就會發現，還水是沒有顏色的，這是因為在純凈的海水中，懸浮的大顆粒少，大部分都是直徑小的粒子，當陽光（也就是白光）照射到海水時，海水中的小粒子直徑因為遠小于光的波長所以發生瑞利散射，將藍光散射掉一部分，同樣的反射掉一部分，這樣我們看到的其實是海水散射和反射出的藍光，就像上文討論的葉子的顏色是綠色是因為葉子反射了綠光，同樣的大海時藍色的，是因為大海反射和散射了藍光。

四、霧霾為什么灰蒙蒙的？

近年來，空氣質量問題越來越成為國人關心和擔憂的問題，霧霾天氣下能見度很低，空氣質量差，嚴重影響著人們的心情和健康。為什么霧霾時天灰蒙蒙的能見度低呢？

這些還要從當下非常熱的一個名詞說起——pm2.5，pm2.5直白的說就是空氣中懸浮的直徑小于或等于2.5微米的顆粒物，相似的概念還有pm10，這些懸浮的顆粒物濃度過大是就產生了令人煩惱的霧霾。由瑞利散射的定義可知，發生瑞利散射時要求粒子直徑遠小于光波波長，而pm2.5的直徑已經達到微米量級是光波波長的4000多倍，這時候是不可能發生瑞利散射的，讀者可以想象一束極細的水流射到一個籃球上，因為籃球是一個曲面，水流必然會被均勻的濺射開，類似的光波傳遞到充滿pm2.5的霧霾的大氣中就會發生相似的現象，影響光的傳播，所以天氣灰蒙蒙的能見度低。

五、結語

由于瑞利散射的存在天空和大海看起來都是藍色的，這是因為紅光黃光相對藍光來講波長更長，由于瑞利散射的散射光強度與波長成反比，所以紅光和黃光不容易發生瑞利散射，而藍光的瑞利散射能力強，所以天空和大海看起來都是藍色的。但是這些也是在一個前提下的，那就是純凈的大氣和純凈的大海，因為只有純凈的空氣純凈的海水中沒有大顆粒的雜志，才能滿足瑞利散射的條件，而隨著我國社會的發展，環境受破壞嚴重，導致霧霾等天氣出現，天空和海洋也不再蔚藍，我希望我們全體國人都行動起來從自我做起，倡導環境友好，選擇低碳生活，保護好我們的碧海藍天！

參考文獻；

[1]《光學手冊·上卷》：陜西科學技術出版社.