萬里無云的藍天是藍色的，那是因為在空氣中分子散射太陽光線當中藍色部分的能力高于其散射紅色光線的能力。日暮時分我們看到落日呈現(xiàn)紅色與橘黃色，這是因為藍色光被散射并且朝著視線以外的方向傳播。
太陽發(fā)出的白色光包含了彩虹色的所有顏色。牛頓利用多棱鏡分離得到了不同的顏色并制成色譜證明了這一點。不同顏色光線具有不同的光波的波長?？梢姽馍V范圍跨越最長720nm的紅光到最短的380nm的紫光，其中包含橘黃，黃，綠，藍和靛藍的光波波長。人眼視網(wǎng)膜上的色彩接收器對于紅綠藍三種顏色有較強的接收能力，三種顏色的組合形成了人眼的色覺。
1.丁達爾效應
丁達爾在1859年提出的丁達爾效應奠定了我們能夠正確解釋天空顏色的最初幾步。他發(fā)現(xiàn)，當光線通過具有小微粒的透明懸浮液的時，光波較短的藍色光線比紅色光線具有更強的散射現(xiàn)象。當一束白色光線入射到盛有肥皂水或者牛奶與水的水箱當中。從水箱的側(cè)面看去，可以觀察到光柱在途中產(chǎn)生了藍光散射的現(xiàn)象，在光柱出射端，光線在經(jīng)過水箱之后變成了紅色。光線的偏振極化現(xiàn)象也可以通過偏振濾光片來觀察，其道理可類比于我們戴上偏光太陽眼鏡后可以看到顏色加深的深藍色的天空。我們把如上現(xiàn)象稱為丁達爾效應，對于物理學家來說他們也把這種現(xiàn)象稱作瑞利散射，以為散射現(xiàn)象做出詳細解釋的瑞利男爵的名字命名。瑞利男爵發(fā)現(xiàn)，在存在充分散射粒子的前提下，散射光線的量與光波長的四次方成反比。由此推知，藍光的散射量是紅光的(700/400)4 ~= 10倍。
2.塵埃還是分子？
丁達爾與瑞利原本認為天空呈現(xiàn)的藍色與大氣層當中的灰塵或者水蒸氣的小顆粒對光線的散射有關(guān)系。甚至今日，也有人會錯誤地用這兩種原理來解釋天呈現(xiàn)的藍顏色。科學家們后來了解到，如果這種理論是正確的，那么我們可以推理得到的當天空當中的濕度上升或者有云霧的天氣條件下，天空的顏色應該由于散射而呈現(xiàn)出五彩繽紛的顏色的錯誤結(jié)論，因此科學家們認定散射的粒子主要是空氣中的氧氣分子和氮氣分子，而非空氣中的塵埃。在1911年愛因斯坦首次論證了空氣分子散射光線的理論，他通過方程式計算了分子對于光線的散射，其理論計算數(shù)值與實際實驗結(jié)果吻合，甚至能夠通過提出的方程式比照觀察得到的結(jié)論來驗證阿伏伽德羅常數(shù)。這些分子能夠散射光的原因在于光線的電磁場誘發(fā)了分子當中的電磁距的變化與排列。
3.為什么不是紫外線光？
如果短波的光波能夠具有更強烈的散射，那么天空為什么沒有呈現(xiàn)出最短波長的可見光——紫光的顏色？太陽輻射的光線在每個波長之上分布并不是均勻的，并且高空大氣層可以吸收一部分散射光線，因此在光線中紫色的散射光線部分就更少了。我們的眼睛對于紫光是不敏感的。盡管這可能是答案的一部分，然而彩虹中折射的光線讓我們看到在可見光部分中靛藍和紫光的比例是超過藍光的。答案的另外一部分就在于我們視覺的工作原理。在我們的視網(wǎng)膜或者視網(wǎng)膜錐中，有三種顏色的接收器。這些接收器由于分別對三種波長的光波接收能力明顯而被命名為紅，藍和綠感光光錐。隨著這三種光錐接收三種顏色光比例的變化，我們的視覺系統(tǒng)構(gòu)建了我們可以見到的光的顏色。 |
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