在天氣晴好時(shí),我們看到的天空都是蔚藍(lán)色的,海水也是藍(lán)色的。大家有沒有想過這是為什么?另外,人類正在探測太空,如果我們到了其他星球上,看到的天空會(huì)不會(huì)也是蔚藍(lán)色?亦或是其他顏色呢?
首先來看看眼睛是如何識(shí)別顏色的。我們的眼睛,是靠接收外界的光線來觀察世界、認(rèn)識(shí)顏色的。光的本質(zhì)是電磁波,不同波長的光對(duì)應(yīng)不同的顏色。我們用眼睛看東西,其實(shí)是在用眼睛接收各種波長的可見光。
我們看見一個(gè)東西有某種顏色,代表著那個(gè)東西反射了某種特定波長的光。比如,我們看見綠色的葉子,那是因?yàn)槿~子里的葉綠素吸收了可見光中的紅光和紫光,使葉子反射出綠光,然后我們的眼睛接收到綠光,就產(chǎn)生葉子是綠色的感覺。
要探討天空顏色這個(gè)話題,我們首先要知道,我們看到的光亮主要是來自主恒星。我們太陽系的恒星就是太陽,在太陽系系所有天體上看到的天空,都是太陽光照射后產(chǎn)生的效果。如果沒有太陽,天空就一直是黑色的。這個(gè)道理很簡單。
那么,太陽照射到地球或其他星球上,會(huì)產(chǎn)生不同的顏色嗎?我們首先來看看太陽光的組成,太陽光本身是白色光,由赤、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫七色光組成。如果沒有任何阻擋,我們看到的光線,或者太空就是無色的。而我們看到的藍(lán)色天空,是因?yàn)樘柟獯┻^大氣層時(shí),七色光中的一部分光線被吸收后,一部分被發(fā)射了,能夠進(jìn)入我們視線的只有剩下的一部分。
具體來說,是因?yàn)樘柟饩€射入大氣層后,遇到大氣分子和懸浮在大氣中的微粒發(fā)生散射的結(jié)果。根據(jù)科學(xué)家的測定,綠色光、藍(lán)色光和紫色光的頻率比較高,則波長比較短;紅色光、橙色光和黃色光的頻率比較低,則波長比較長。當(dāng)遇到空氣中的障礙物的時(shí)候,藍(lán)色光便被“散射”得到處都是,布滿了整個(gè)天空。天空就是這樣被“散射”成了藍(lán)色。
而在早上和晚上,由于太陽光是斜射的,傳播路徑比較長,太陽光在通過厚厚的大氣層后,那些波長短的藍(lán)色光基本都被懸浮在大氣中的微粒給擋住了,走不遠(yuǎn),而紅色光因?yàn)椴ㄩL長,很容易跨過障礙物,因此不容易被阻擋,可以到達(dá)更遠(yuǎn)的地方,所以我們在日出和日落時(shí)看到的朝霞和晚霞往往是紅色的。
簡而言之,晴朗的天空是蔚藍(lán)色的,這并不是因?yàn)榇髿獗旧硎撬{(lán)色的,也不是大氣中含有藍(lán)色的物質(zhì),而是由于大氣分子和懸浮在大氣中的微小粒子對(duì)太陽光散射的結(jié)果。由于介質(zhì)的不均勻性。使得光偏離原來傳播方向而向側(cè)方散射開來的現(xiàn)象,稱為介質(zhì)對(duì)光的散射。
而陰雨天氣的天空內(nèi)?陰雨天的天空是灰白色的,因?yàn)樵茖虞^厚對(duì)陽光的主要表現(xiàn)是反射,這時(shí)光線就比晴天弱,天空就比晴天顯得暗一些,當(dāng)再次陽光透過較厚云層后,由于云層中含水量較大,還有較多的塵埃,陽光經(jīng)反射后就主要表現(xiàn)塵埃與小水滴或小冰晶的顏色,所以陰雨天的天空看上去是灰白色的。
由此可知,大氣密度和成分不同,看到的天空顏色就會(huì)不一樣。由此我們設(shè)想其他星球的情況。
例如火星,它的大氣層非常稀薄,大氣的主要成分是二氧化碳,表面大氣壓只有不到1個(gè)大氣壓。由于沙塵暴經(jīng)常發(fā)生,大氣中還有很多的塵埃,這些塵埃中有很多微米到納米大小的氧化鐵顆粒。因此,在火星看天空的話,遇到晴好天氣時(shí),可以看到很淡的天空藍(lán),而大部分時(shí)間是泛黃的顏色。
而金星則是另外一個(gè)極端,由于金星的大氣非常之稠密,表面大氣壓有93個(gè)大氣壓,也就是大氣大氣壓的93倍,主要成分是二氧化碳,以及少量的氮?dú)?、水和二氧化硫等,金星表面的溫度達(dá)到400多攝氏度。如果我們站在金星上看天空,就根本無法看透,只有少量的光線能夠穿過它的大氣層,我們看到的天空就是非常渾濁的土黃色,有點(diǎn)像遭遇特大沙塵暴天氣時(shí)候的樣子。
而對(duì)于月球和水星這樣的天體,它們幾乎沒有大氣層,光線到達(dá)它們的表面時(shí),不會(huì)有任何改變,看到的天空就是無色透明的。我們再來說說海洋,地球海洋的顏色為何也是藍(lán)色?
海水之所以看上去是藍(lán)色的,也是由于陽光的作用。陽光中波長越長的光越容易透射進(jìn)海水里,并且很容易被海水或海洋生物吸收。而波長短的大部分發(fā)生了反射和散射而未能進(jìn)入海水。
水的顏色會(huì)隨著水周圍的環(huán)境而變化,水里溶解的元素或懸浮的雜質(zhì),都可能使水產(chǎn)生不同的顏色。平時(shí)我們看見的水似乎都是無色透明的,那是因?yàn)樗肯鄬?duì)較小,而組成水的水分子們,對(duì)可見光的吸收太少,簡直可以忽略不記。因此,幾乎所有可見光都會(huì)從水中穿透,在我們的眼睛看來,水自然就是透明的了。
但實(shí)際上,純凈的水會(huì)呈現(xiàn)淡藍(lán)色。當(dāng)水特別多、特別深時(shí),我們會(huì)很容易地發(fā)現(xiàn)這一點(diǎn)。盡管前面說過水分子對(duì)可見光的吸收微乎其微,但水分子里有一個(gè)叫「氫鍵」的東西,在它的作用下,水對(duì)紅光、綠光的吸收,會(huì)略微比藍(lán)光更多,從而使藍(lán)色光線更容易顯現(xiàn)。
所以,當(dāng)純凈的水達(dá)到一定深度時(shí),就會(huì)呈現(xiàn)藍(lán)色,水越深就越藍(lán),比如海洋和冰川中那些巨大的冰塊。光線在穿透很深的海水或冰塊時(shí),沿途損失的紅光越來越多,到達(dá)幾米深時(shí),大部分的紅光就已經(jīng)消耗殆盡,而藍(lán)光卻可以穿透很遠(yuǎn)。在被完全吸收之前,藍(lán)光可以自由的散射和反射,其中一部分最終返回海水或冰塊表面,把藍(lán)光照射進(jìn)我們的眼睛。此外,海洋和湖泊的表面經(jīng)常反射藍(lán)色的天空,這也會(huì)使其顯得更藍(lán)一些,會(huì)呈現(xiàn)海天一色的景象。