利用高中物理知识解释天空为什么是蓝色的

冯靖淇

1.引言

从小时候我们仰望天空开始，就看到了蓝蓝的天空，尤其是雨过天晴之后的天空是尤其的蓝，看着就让人心旷神怡。从小时候开始我们就有一个疑问，为什么天空是蓝色的呢？我们现在已经学习了高中物理知识，我们能不能用我们所学到的知识来解释天空为什么是蓝色的呢？我们在新课标高中物理选修3-4中学习过光学的知识，包括光的色散、光的折射定律等等，下面我们就通过所学的光学知识来解释天空为什么是蓝色的原因。

2.理论解释

高中物理我们学过[1]，复色光分解为单色光而形成光谱的现象叫做光的色散。色散可以利用棱镜或光栅等作为色散系统的仪器来实现。复色光进入棱镜后，由于它对各种频率的光具有不同折射率，各种色光的传播方向有不同程度的偏折，因而在离开三棱镜时就各自分散，形成光谱。太阳光看起来是白色的，但其实是由红、橙、黄、绿、蓝、靛和紫七种颜色组成。早在1666年牛顿利用三棱镜实验便证实了这一点，把白光分解为彩色光带。太阳光经过三棱镜折射后，从上到下我们依次看到的是红、橙、黄、绿、蓝、靛和紫七中颜色。对同一种介质，光的频率越高，介质对这种光的折射率就越大。在可见光中，紫光的频率最高，红光频率最小。当白光通过三棱镜时，棱镜对紫光的折射率最大，光通过棱镜后，紫光的偏折程度最大，红光偏折程度最小。这样，三棱镜将不同频率的光分开，就产生了光的色散。

下面来说一说我们地球的大气层。大气层是因重力关系而围绕着地球的一层混合气体，是地球最外部的气体圈层，是地球的保护屏障，包围着海洋和陆地。大气圈没有确切的上界，在离地表2000-16000公里高空仍有稀薄的气体和基本粒子。地球大气的主要成分为氮、氧、氩、二氧化碳和不到0.04%比例的微量气体，这些混合气体被称为空气。由于大气层上部大气多为质子组成，为大气圈向外层空间的过渡地带，称为外层也叫散逸层;距离地面10-50千米左右的气层称为平流层，平流层内的空气比对流层要稀薄很多，很少会出现天气现象，平流层中在15-35千米的范围内，有厚约20千米的臭氧层;对流层是最靠近地面的，大气中主要的天气现象（如云、雾、雨、雪、雹等）都形成在此层内，这一层富集了如氮气、氧气、氩气等气体，还有各种人为排放的颗粒物。

当自然光在进入地球的过程中，前进的路线上碰到大气层中这些障碍物，传播方向就会发生改变，发生散射现象。下面我们就来看一看，什么是光的散射。光的散射（scatteringoflight）是指光通过不均匀介质时一部分光偏离原方向传播的现象。偏离原方向的光称为散射光。我们知道，光无论是在空气、水或是其他介质中，总是沿着直线传播。一旦遇到一个小的颗粒，就有一部分光线偏离原来的方向向四面八方传播。散射光的波长与入射光相同，而其强度与波长的4次方成反比的散射，称瑞利散射定律，由英国科学家瑞利于1871年提出。也就是说大气中有几种不同颜色的光，就有几种不同的光的波长。大气对不同颜色光的散射强度与光的波长的4次方成反比。不同波长的光被散射的比例不同，此亦成为选择性散射。

当太阳光进入大气后，空气分子和微粒（包括尘埃、水滴、冰晶等）会将太阳光向四周散射。组成太阳光的红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫7种光中，红光波长最长，紫光波长最短。波长比较长的红光透射性最大，大部分能够直接透过大气中的微粒射向地面。而波长较短的蓝、靛、紫等色光，很容易被大气中的微粒散射。由瑞利散射与波长的关系可以看出，波长越短瑞丽散射的强度越大，因此波长较短的蓝光（波长约为450纳米）会比波长较长的红光（波长约为600纳米）散射更强。以入射的太阳光中的蓝光和红光为例，当光穿过大气层时，被空气微粒散射的蓝光约比红光多约6倍[2]。经过大气层中无数颗粒的多次散射后，短波波段的蓝色光线相比其它波长更长的光线变得更强，因此晴天天空是蔚蓝色的。但是，当空中有雾或薄云存在时，因为水滴的直径比可见光波长大得多，选择性散射的效应不再存在，不同波长的光将一视同仁地被散射，所以天空呈现白茫茫的颜色。你一定还会有一个问题，既然波长越短散射越强，为什么天空是蓝色而不是紫色？上面提到平流层有一層臭氧层，臭氧对太阳辐射的紫外线有强烈的吸收作用，因此能够到达地面的紫光很少，再加上我们的眼睛对紫色不如蓝色那样敏感，所以虽然紫光比蓝光波长更短，但我们看到的天空不是紫色而是蓝色的。

3.结论

本文通过高中物理所学光的色散和光的散射现象解释了天空为什么是蓝色的原因，解释的方法通俗易懂，思路清晰。太阳光经过大气的散射较为复杂，本文利用新课标高中物理选修3-4中的光学知识通俗易懂地解释了天空为什么是蓝色的原因，用较为简单的理论清晰地解释了天空呈现蓝色的相关物理原因，为利用高中物理知识来解释天气和天文现象提供参考。

参考文献

[1]张维善，普通高中课程标准实验教科书物理选修3-4，人民教育出版社，2018.

[2]庄著向，天空为什么是蓝色的，现代物理知识，16卷4期，2004.