天空為什么是藍(lán)色的?這個(gè)問題可能很多人小時(shí)候都問過或者思考過,其中一部分人可能直到長大以后都依然沒有弄明白它,所以今天,我們來嘗試弄清這個(gè)童年的問題 。
要解釋天空為什么是藍(lán)色之前,也許我們需要先搞清楚為什么會(huì)有顏色 。人類,也包括絕大部分的地球生物,最早接觸的光就是太陽光,因此,我們的視覺系統(tǒng)都是為了適應(yīng)太陽光而演化出來的,我們視覺系統(tǒng)所能感受到的光稱為可見光 。如果小時(shí)候用肉眼直視過高空的太陽的好奇寶寶可能就會(huì)知道,太陽是一個(gè)刺眼的白色圓盤 。(白天直視太陽會(huì)灼傷視網(wǎng)膜,造成視力永久性損傷,切勿嘗試?。┮蚨鴮τ谖覀?nèi)祟惖囊曈X系統(tǒng)來說,太陽光是白色的,就是正午直視太陽時(shí)所能看到的顏色 。(白色光跟白色物體不同,白色光就是沒有顏色的光)
直到17世紀(jì)一位天才的出現(xiàn),完全改變了人們對太陽光的認(rèn)知,這位天才就是人類上最偉大的家牛頓 。他發(fā)現(xiàn)當(dāng)一束白色的太陽光通過了三棱鏡以后,會(huì)分解成一條彩色的光帶,仿佛太陽光散開了,這就是我們現(xiàn)在所說的太陽光色散現(xiàn)象 。
色散現(xiàn)象表明太陽光并不是無色的白光,而是由不同顏色的光所混合而成的,當(dāng)這些不同顏色的光疊加在一起,就會(huì)成為無色的白光 。
現(xiàn)在,科學(xué)家已經(jīng)知道光是一種電磁波,那些不同顏色的光就是不同波長的電磁波,這些不同波長的電磁波穿過透明介質(zhì)的時(shí)候,會(huì)產(chǎn)生不同程度的折射,波長越短,折射率越低,波長越長,折射率越高 。這就導(dǎo)致了包含不同顏色光的太陽混合白光在進(jìn)入三棱鏡后,波長較短的紫光被偏轉(zhuǎn)得更厲害,而波長較長的紅光則偏轉(zhuǎn)的角度更小,因而導(dǎo)致一束白光被不同的偏轉(zhuǎn)角度分解成紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫七種顏色的光 。
知道了不同波長對應(yīng)不同顏色,那么問題來了,我們又是怎樣感受到不同波長對應(yīng)的顏色的呢?答案是我們視網(wǎng)膜上的視錐細(xì)胞 。正常人的眼睛擁有三種不同的視錐細(xì)胞,它們對不同波長的光敏感,所謂的敏感其實(shí)就是能通過不同波長光刺激產(chǎn)生不同強(qiáng)度的神經(jīng)沖動(dòng),而我們的大腦就會(huì)把這些不同的神經(jīng)沖動(dòng)處理成不同的顏色的視覺感受 。大家知道個(gè)大概就好,視覺的原理這里不詳述 。
這三種視錐細(xì)胞響應(yīng)光刺激最敏感的峰值波長分別是570nm、535nm、445nm,在我們的視覺里對應(yīng)了紅、綠、藍(lán)三種顏色 。如下圖:
從圖中的曲線分布(代表波長敏感范圍)可以看到,視錐細(xì)胞對紅、綠光對應(yīng)的波長更為敏感 。
知道了我們感受顏色的原理之后,我們就可以來解釋我們?yōu)槭裁纯匆娞炜帐撬{(lán)色的了,首先從視覺上看,我們能看到天空是藍(lán)色的原因就是,我們對445nm波長敏感的藍(lán)色視錐細(xì)胞接收到大量光信號(hào),而紅、綠顏色視錐細(xì)胞只接收到少量光信號(hào) 。這意味著天空充滿的是波長較短的可見光 。
那么為什么天空中只有波長較短的可見光?原因就在于空氣中的氣體顆粒太小,太陽光里波長較長的可見光會(huì)直接繞過這些微小的氣體分子直射到地面,而不會(huì)在空氣中被吸收和散射,只有那些波長較短的可見光會(huì)被這些細(xì)小的氣體分子吸收和散射,因此大氣中散射的光基本都是波長較短的光 。
那么問題來了,波長更短的不是紫光嗎?為什么我們看到的天空不是紫色而是藍(lán)色的呢?原因就是前面說的視錐細(xì)胞的敏感性,相對于紫色,視錐細(xì)胞對藍(lán)色更為敏感,說白了就是我們的眼睛對紫色不敏感,因此雖然天空實(shí)際上也散射了大量的紫色光,但我們看到的天空顏色依然是藍(lán)色的 。
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