主页 > 余斗笔记 > 十万个为什么 >

为什么我们看到的天空是蓝色的

时间:2016-08-05 阅读:0

完整解决天空为什么是蓝色的这个问题需要知道两件事情:光的 Rayleigh 散射和 Planck 黑体辐射方程。这个问题其实可以编成一道脑洞大开的题目:

已知地球的天空是蓝色的,求太阳表面温度。

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,即

为什么我们看到的天空是蓝色的

蓝光的波长短,因此散射光强度大。

可是紫色的光波长更短,为什么天空不是紫色的?

上面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:

为什么我们看到的天空是蓝色的

浅黄色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:

为什么我们看到的天空是蓝色的

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:

为什么我们看到的天空是蓝色的

不妨设定

为什么我们看到的天空是蓝色的

可以计算得到

为什么我们看到的天空是蓝色的

左右。

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。

为什么我们看到的天空是蓝色的

三种细胞对不同颜色的敏感度如下:

为什么我们看到的天空是蓝色的

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。下图是在 B=255 时的 RGB 颜色平面。

为什么我们看到的天空是蓝色的

为什么天空显示蓝色,还有一种生物进化论的观点。天空显示蓝色和环境的颜色相符合,不会影响人类发现身边的危险,从而提升人类在自然界中的生存力。

本站所有资源均在余斗淘宝店铺有售,你可以扫描以下店铺二维码直接选购,自动极速发货。你也可以微信扫描二维码添加好友,直接微信索取更便捷!

余斗微信二维码

扫描微信加好友购买
了解更多

余斗淘宝店铺二维码

淘宝扫描二维码购买
自动发货

余斗余斗
  • 版权声明:原创文章由发表在十万个为什么分类下,2016-08-05最后更新,转载注明出处。

相关推荐

返回顶部