藍天[自然名詞]

藍天[自然名詞]
藍天[自然名詞]
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藍天,即地球的大氣層,正常情況下常呈現藍色。19世紀中葉英國物理學家丁鐸爾認為波長較短的藍色光,容易被懸浮在空氣中的微粒阻擋,散射向四方,這一說法至今在中國基礎教育中仍廣泛接受。但該說法存在明顯漏洞,後來19世紀80年代,瑞利發現空氣本身的氧和氮等分子對陽光就有散射,而藍色光容易被散射,空氣分子的散射就可以作為“天藍”的主因。1910年愛因斯坦科學解釋了藍天的原因,即空氣自身的密度漲落等對陽光的散射形成了藍天。

基本信息

介紹

藍天藍天
天為什麼是藍色的呢?

在晴朗的天氣里空氣中會有許多微小的塵埃、水滴、冰晶等物質,當太陽光通過空氣時太陽光中波長較長的紅光、橙光、黃光都能穿透大氣層,直接射到地面,而波長較短的藍、紫、靛等色光,很容易被懸浮在空氣中的微粒阻擋,從而使光線散射向四方,使天空呈現出蔚藍色。實際上發生散射的藍光只是一小部分,大部分沒有遇到微粒的藍光、紫光還是直接射到了地球上,所以射到地球上的白光中仍然是紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫。當大雨過後,你是否注意過天會更藍,越是晴朗的天氣,天越藍,這是因為這樣的天氣里,空氣中的塵粒、小滴、冰晶的數量會很多。

如果陽光從天空照射下來,它就會連續不斷地碰到某些障礙——即使沒有下雨。因為光所必須穿透的空氣並不是空的,它由很多很多微小的微粒組成。其中的大多數,百分之九十九不是氮氣便是氧氣,其餘則是別的氣體微粒和微小的漂浮微粒,它們來源於汽車的廢氣、工廠的煙霧、森林火災或者火山爆發出來的岩灰。雖然氧氣和氮氣微粒比一滴雨水小一百萬倍,但是它們也照樣能阻擋陽光的去路。光線從這些眾多的小“絆腳石”上彈回,並改變自己的方向:光線被散射出去,這是我們化學家和物理學家們的說法。波長短的藍色光和紫色光比波長長的橙色光和紅色光散射得多。所以散射的光中,紫光比紅光幾乎多10倍,而藍光則幾乎比紅光多6倍。綠色的、黃色和橙色的光線,敵不過占優勢的藍色光線和紫色光線,所以我們覺得這些散射的光是藍色的——天藍色的。發現這一切的是英國物理學家和諾貝爾獎獲得者瑞利勳爵,他在130年前就已經發現了:當光線透過空氣偏離了它原來的直線方向時,光的波長不同,偏離的距離不同。後來人們為了向他表示敬意,便把這個散射過程叫做瑞利散射。如果你向天空看去,你主要看見的是陽光中被散射的藍色的光,而不是未經散射的陽光。

傳統觀點

藍天,其實是地球的大氣層。中國基礎教育與科普界主要沿用19世紀中葉英國物理學家丁鐸爾(John Tyndall,1820-1893)的理論來解釋“藍天”出現的原因,儘管該觀點後來被證實並不完全正確。
晴朗的天空是蔚藍色的,這並不是因為大氣本身是藍色的,也不是大氣中含有藍色的物質,而是由於大氣分子和懸浮在大氣中的微小粒子對太陽光散射的結果。由於介質的不均勻性。使得光偏離原來傳播方向而向側方散射開來的現象,稱為介質對光的散射。細微質點的散射遵循瑞利定律:散射光強度與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、青色光最容易被散射;而波長較長的紅、橙、黃色光散射得較弱,由於這種綜合效應,天空呈現出蔚藍色。
這是因為太陽光線射人大氣層後,遇到大氣分子和懸浮在大氣中的微粒發生散射的結果。根據科學家的測定,藍色光和紫色光的波長比較短,相當於“小波浪”;橙色光和紅色光的波長比較長,相當於“大波浪”。當遇到空氣中的障礙物的時候,藍色光和紫色光因為翻不過去那些障礙,便被“散射”得到處都是,布滿了整個天空。天空就是這樣被“散射”成了藍色。

觀點的發展.

丁鐸爾散射

空氣中會有許多微小的塵埃、水滴、冰晶等物質,當太陽光通過空氣時,波長較短的藍、紫、靛等色光,很容易被懸浮在空氣中的微粒阻擋,從而使光線散射向四方,使天空呈現出蔚藍色。中文世界中,大小權威的教育和科學網站,大多仍採用上述“標準答案”。[1]
這個“天藍”解釋,基本上是19世紀中葉的水平。它是英國物理學家丁鐸爾(John Tyndall,1820-1893)首創的。常稱作丁鐸爾散射模型。確實,“波長較短的藍色光,容易被懸浮在空氣中的微粒阻擋,……散射向四方”。但它並不是“天藍”的真正原因。如果天藍主要是由水滴冰晶等微粒的散射引起的,那末,天空的顏色和深淺,就應隨著空氣濕度的變化而變化。因為當濕度變化時,空氣中水滴冰晶的數目會明顯變化。潮濕地區和沙漠地區的濕度差別很大,但天空是一樣的藍。丁鐸爾散射模型解釋不了。到19世紀末葉,丁的天藍解釋已被質疑。[1]

瑞利散射

1880年代,瑞利(John Rayleigh,1842-1919)注意到,根本不必求助塵埃、水滴、冰晶等空氣中的微粒,空氣本身的氧和氮等分子對陽光就有散射,而且也是藍色光容易被散射。所以,空氣分子的散射就可以作為“天藍”的主因。[1]
然而,各個分子有散射,不等於空氣整體會有藍色。如果純淨的空氣是極均勻的,分子再多也沒有“天藍”。就像一塊極平的鏡子,只有折射或反射,而極少 散射。在均勻一致的環境中,不同分子的散射相互抵消了。就如在一個集體紀律超強的環境(如監獄)中,每個人的獨立和散漫行為被徹底壓縮。而“天藍”靠的就是分子各自的獨立和相互不干涉,或少干涉。[1]
為此,瑞利假定,空氣不是分子的“監獄”。相反,氧和氮等分子,無規行走,隨機分布。瑞利由這個模型算出的定量結果,很好地符合天藍的性質。1899年,瑞利寫了一篇總結式的文章“論天空藍色之起源”(J.Rayleigh,Phil.Mag.XLVII,375,1899),開宗明義就說:“即使沒有外來的微粒,我們依舊會有藍色的天”。“外來的微粒”即指丁鐸爾散射所需要的。從此,丁鐸爾的天藍理論被放棄。瑞利散射成為“天藍”理論的主流。
瑞利的天藍理論雖然很成功,瑞利的分子無規分布假定,也有根據。然而,瑞利實質上還要假定空氣是所謂理想氣體,這是一個不大的,但也不可忽略的弱點。因為空氣不是理想氣體。

愛因斯坦理論

1910年,愛因斯坦最終解決了這個問題。愛因斯坦用當時剛剛發展的熵(混亂的度量)的統計熱力學理論證明:那怕最純淨的空氣,也是有漲落起伏的。空氣本身的密度漲落也能散射,也是藍色光容易被散射。密度漲落的散射,不多也不少,正好能產生我們看到的藍天。如果空氣是理想氣體,愛因斯坦的結果就同瑞利的一樣。所以,簡單地說,天空藍色之起因是:“空氣中有不可消除的‘雜質’,即空氣自身的漲落。密度漲落等對陽光的散射,形成了藍天。”“天藍”起源物理不是愛因斯坦首創,但最完整的理論是愛因斯坦奠定的。所以說,“天藍”物理學,完成於1910年。

瑞利和愛因斯坦的“天藍”理論,是普遍適用的。可以用來解釋純淨空氣中的“藍天”現象,也可以用來解釋純淨的水,純淨的玻璃等液體或固體中的“藍天”現象。
高錕先生在他為“光纖通訊”奠基的第一篇論文(C.Kao,Proc.IEE,113,No.7,1966 2010)中引用的第一個物理公式,就是愛因斯坦的“天藍”瑞利散射公式(即Einstein-Smoluchowski公式)。玻璃是凝固了的液體。即使最理想的玻璃,沒有氣泡,沒有缺陷,玻璃中依舊有不可消除的‘雜質’,即玻璃本身的不可消除的漲落。在光纖中傳播的訊號(光波),會被玻璃的漲落散射。“天藍”機制,是光纖通訊訊號損失的一個物理主因。它是不能用光纖製造技術消除的。只能選擇“不太藍”的光,減低它的影響。

空氣品質用語

“藍天”也是對空氣品質狀況評價的一種通俗的說法。中國的環保部門要對空氣中可吸入顆粒物、二氧化硫、二氧化氮等多項污染物的監測。實時監測數據經匯總和計算後得出當天的空氣污染指數(API),從而判斷空氣品質的等級。
中國採用的空氣污染指數分為五個等級,API值小於等於50,說明空氣品質為優;API值大於50且小於等於100,表明空氣品質良好。如果當日空氣品質污染指數在100以下,則稱之為“藍天”。也就是說,雖然天空看起來不藍,甚至是在下雨,但空氣品質不錯,仍然可認定為“藍天”。
因此,依據空氣污染指數得出的“藍天”並非感官意義上的藍色天空。有報導,有兩名市民堅持不懈地每天拍攝一張照片記錄藍色天空的數量,照片顯示數量為180天。而同期北京官方發布的“藍天”數量為285天,兩者相差逾百日。

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