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硬科技:天为什么是蓝色的?

作者:habao 来源: 日期:2018-2-11 16:06:38 人气: 标签:为什么天空是蓝色的

  完整解决这个问题需要知道两件事情::光的Rayleigh(瑞利波)散射和Planck(普朗克)黑体辐射方程。

  Rayleigh 散射说的是,对于尺度比光的波长小很多的微粒,,其散射光的强度与入射光的波长的四次方成反比:

  这个问题的成因比较复杂。考虑到大气层散射的是太阳光,天空显示什么颜色与太阳本身的波谱就有很大关系。如果太阳光里原本就没有任何蓝色的成分,(只考虑弹性散射)天空自然不会显示蓝色。事实上,太阳波谱如下图:

  浅的部分是未经大气层散射之前的波谱。从图中可以看到,太阳光原本的频率成分就主要集中在500nm 左右,属于蓝色和绿色的交界。在太阳光中,紫色波段的光原本就很少,因此天空不显紫色显蓝色。

  事实上,太阳可以视作一个理想黑体。因此太阳的波谱可以看作黑体辐射谱。对于黑体辐射谱,有Planck 黑体辐射方程:

  其分布函数的形状如上图中的黑色线。结合 Rayleigh散射与Planck黑体辐射,我们可以得到经过Rayleigh散射以后的黑体辐射谱:

  通过其他方式测得的太阳表面温度大约为 5800K,和我们的计算得到的结果在一个数量级内。考虑到我们的模型是极度简化的, 这个结果可以令人满意。

  除了太阳的辐射谱本身就缺乏紫色成分以外,天空不显示紫色还和人眼成像原理有关。人眼中有三种颜色的视锥细胞(cone cells),分别感受三种颜色:

  可以发现,紫色的光除了最强烈地刺激蓝色视锥细胞以外,还会刺激红色和绿色的视锥细胞。如果天空中没有任何紫色的光的成分,那么人类感受到的天空应该为蓝绿色。正是因为天空散射的光有很多紫色的成分,它们刺激了红绿视锥细胞,我们看到的天空才显示出淡蓝色。

  为什么天空显示蓝色,还有一种生物的观点。天空显示蓝色和的颜色相符合,不会影响人类发现身边的,从而提升人类在自然界中的力。

  

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