天空為何是藍色?

文/簡麗賢 |2022.05.27
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光線照過梳子,被梳齒擋到的地方形成影子,沒擋到的地方,光線就穿過去了。圖/呂季原
圖/呂季原
圖/呂季原
圖/呂季原
圖/呂季原

文/簡麗賢

「天空為何是藍色?」學生問我:「為什麼不是紫色?」解釋這問題與「瑞利散射」有關。

光學現象 天天天藍



眼睛看到大自然中的「顏色」,涉及光學反射、折射、散射等現象,以及人體眼睛的結構。人的肉眼覺察的太陽光,由不同顏色的光組成。「光」指的是可見光,本質是電磁波,亦即可見光是電磁波家族族譜的一種,波長大約介於400奈米到700奈米之間。不同波段的電磁波有其特定波長範圍,不同顏色的光對應不同波長。其中可見光波段的紅光,波長最長,能量較低;紫光的波長則最短,能量是可見光中最高。

光具有直線前進的特性,因此產生影子和日食月食的自然現象。然而,當光遇到大氣中的塵粒、水滴或氣體時,部分的光被吸收或反射、折射。

當光被氣體吸收時,不同波長的光,被吸收的程度也不同。波長較長的光,如紅光,被吸收的程度較低;較短波長的光,例如藍光,被吸收的程度較高。氣體吸收光後,透過輻射,把光射向不同方向,此現象稱為散射。太陽光射進地球大氣層時,藍光被大氣散射,我們仰望天空,看到天藍。

瑞利散射 藍光首選



解釋天空是藍色,採用「瑞利散射」理論。英國物理學家瑞利(John William Strutt)認為,當入射光照到直徑比光的波長小很多的粒子時,光會向四面八方散射,而且光的波長愈短,散射強度愈強,散射光強度與入射光波長的四次方成反比。當太陽光通過大氣時,波長較短的紫、藍光最容易被散射,而波長較長的紅、黃光散射程度較弱。

所以,依據「瑞利散射」理論,光遇到大氣中的微粒,散射光的強度與此光的波長有關。人類肉眼所察覺的可見光,波長較短的藍光比較長的紅光更容易被散射;換句話說,藍光比紅光易發生瑞利散射,白天時天空易呈現藍色。

也許你會問:「既然可見光中波長較短的光容易發生『瑞利散射』,紫光波長比藍光略短,天空豈不是天天天紫?」

氣塵反射 藍天變色



天空不是紫色,理由歸納兩種,一是太陽光的紫光與紫外線波段,進入大氣層後,容易被臭氧層吸收;另一是人類眼睛結構對藍光的光比較敏感,對紫光波段較弱。

你可能再問:「夕陽西下,人約黃昏後,此時天空呈現的顏色偏紅,如何解釋?」可以這麼說,日落時,太陽在地平線下,與白天的太陽位置比較,陽光經過較長的路徑才到達我們的眼睛。波長較短的藍光比較容易被吸收和散射,只剩下波長較長的紅光,因此太陽看起來是紅色。如果當時大氣中分布大量塵粒或水滴,反射紅光,此時天空也會是紅色。

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