利用高中物理知識解釋天空為什么是藍色的

馮靖淇

1.引言

從小時候我們仰望天空開始，就看到了藍藍的天空，尤其是雨過天晴之后的天空是尤其的藍，看著就讓人心曠神怡。從小時候開始我們就有一個疑問，為什么天空是藍色的呢？我們現在已經學習了高中物理知識，我們能不能用我們所學到的知識來解釋天空為什么是藍色的呢？我們在新課標高中物理選修3-4中學習過光學的知識，包括光的色散、光的折射定律等等，下面我們就通過所學的光學知識來解釋天空為什么是藍色的原因。

2.理論解釋

高中物理我們學過[1]，復色光分解為單色光而形成光譜的現象叫做光的色散。色散可以利用棱鏡或光柵等作為色散系統的儀器來實現。復色光進入棱鏡后，由于它對各種頻率的光具有不同折射率，各種色光的傳播方向有不同程度的偏折，因而在離開三棱鏡時就各自分散，形成光譜。太陽光看起來是白色的，但其實是由紅、橙、黃、綠、藍、靛和紫七種顏色組成。早在1666年牛頓利用三棱鏡實驗便證實了這一點，把白光分解為彩色光帶。太陽光經過三棱鏡折射后，從上到下我們依次看到的是紅、橙、黃、綠、藍、靛和紫七中顏色。對同一種介質，光的頻率越高，介質對這種光的折射率就越大。在可見光中，紫光的頻率最高，紅光頻率最小。當白光通過三棱鏡時，棱鏡對紫光的折射率最大，光通過棱鏡后，紫光的偏折程度最大，紅光偏折程度最小。這樣，三棱鏡將不同頻率的光分開，就產生了光的色散。

下面來說一說我們地球的大氣層。大氣層是因重力關系而圍繞著地球的一層混合氣體，是地球最外部的氣體圈層，是地球的保護屏障，包圍著海洋和陸地。大氣圈沒有確切的上界，在離地表2000-16000公里高空仍有稀薄的氣體和基本粒子。地球大氣的主要成分為氮、氧、氬、二氧化碳和不到0.04%比例的微量氣體，這些混合氣體被稱為空氣。由于大氣層上部大氣多為質子組成，為大氣圈向外層空間的過渡地帶，稱為外層也叫散逸層;距離地面10-50千米左右的氣層稱為平流層，平流層內的空氣比對流層要稀薄很多，很少會出現天氣現象，平流層中在15-35千米的范圍內，有厚約20千米的臭氧層;對流層是最靠近地面的，大氣中主要的天氣現象（如云、霧、雨、雪、雹等）都形成在此層內，這一層富集了如氮氣、氧氣、氬氣等氣體，還有各種人為排放的顆粒物。

當自然光在進入地球的過程中，前進的路線上碰到大氣層中這些障礙物，傳播方向就會發生改變，發生散射現象。下面我們就來看一看，什么是光的散射。光的散射（scatteringoflight）是指光通過不均勻介質時一部分光偏離原方向傳播的現象。偏離原方向的光稱為散射光。我們知道，光無論是在空氣、水或是其他介質中，總是沿著直線傳播。一旦遇到一個小的顆粒，就有一部分光線偏離原來的方向向四面八方傳播。散射光的波長與入射光相同，而其強度與波長的4次方成反比的散射，稱瑞利散射定律，由英國科學家瑞利于1871年提出。也就是說大氣中有幾種不同顏色的光，就有幾種不同的光的波長。大氣對不同顏色光的散射強度與光的波長的4次方成反比。不同波長的光被散射的比例不同，此亦成為選擇性散射。

當太陽光進入大氣后，空氣分子和微粒（包括塵埃、水滴、冰晶等）會將太陽光向四周散射。組成太陽光的紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫7種光中，紅光波長最長，紫光波長最短。波長比較長的紅光透射性最大，大部分能夠直接透過大氣中的微粒射向地面。而波長較短的藍、靛、紫等色光，很容易被大氣中的微粒散射。由瑞利散射與波長的關系可以看出，波長越短瑞麗散射的強度越大，因此波長較短的藍光（波長約為450納米）會比波長較長的紅光（波長約為600納米）散射更強。以入射的太陽光中的藍光和紅光為例，當光穿過大氣層時，被空氣微粒散射的藍光約比紅光多約6倍[2]。經過大氣層中無數顆粒的多次散射后，短波波段的藍色光線相比其它波長更長的光線變得更強，因此晴天天空是蔚藍色的。但是，當空中有霧或薄云存在時，因為水滴的直徑比可見光波長大得多，選擇性散射的效應不再存在，不同波長的光將一視同仁地被散射，所以天空呈現白茫茫的顏色。你一定還會有一個問題，既然波長越短散射越強，為什么天空是藍色而不是紫色？上面提到平流層有一層臭氧層，臭氧對太陽輻射的紫外線有強烈的吸收作用，因此能夠到達地面的紫光很少，再加上我們的眼睛對紫色不如藍色那樣敏感，所以雖然紫光比藍光波長更短，但我們看到的天空不是紫色而是藍色的。

3.結論

本文通過高中物理所學光的色散和光的散射現象解釋了天空為什么是藍色的原因，解釋的方法通俗易懂，思路清晰。太陽光經過大氣的散射較為復雜，本文利用新課標高中物理選修3-4中的光學知識通俗易懂地解釋了天空為什么是藍色的原因，用較為簡單的理論清晰地解釋了天空呈現藍色的相關物理原因，為利用高中物理知識來解釋天氣和天文現象提供參考。

參考文獻

[1]張維善，普通高中課程標準實驗教科書物理選修3-4，人民教育出版社，2018.

[2]莊著向，天空為什么是藍色的，現代物理知識，16卷4期，2004.