为什么晴朗的天空是蓝色的,而夕阳是红色的?
今天上午在电动力学课上老师给我们讲解了一个非常有意思的现象,为什么晴朗的天空是蓝色的,而夕阳是红色的?其实在讲解这个现象之前我们先学习了总辐射功率P(也即单位时间辐射出去的总能量),通过平均能流密度对球面积分我们即可求得总辐射功率P。
通过计算我们可以看出总辐射功率P是与频率ω4成正比的,那么当频率ω增大时,辐射频率P也会迅速增大。
那么晴朗的天空为什么是蓝色的呢?这就要从"瑞利散射"开始说起。瑞利勋爵是英国的一位物理学家,在声学、光学、电动力学、流体力学等各个领域都颇有建树。他在研究中发现,大气中的氮气、氧气等分子对太阳光的散射强度与太阳光的波长有关。具体来说,散射强度与入射波长的四次方成反比,即波长越短,散射作用越强。这得太阳光中短波长的光线被大量散射到各个方向,而长波长的光线几乎直接透过。
人所能看到的光的波长在380~ 780 纳米,而紫外光区和红外光区是人眼所看不到的。同时由于瑞利散射的强度与波长四次方成反比,所以太阳光谱中波长较短的蓝紫光比波长较长得红光散射更明显,而短波中又以蓝光能量最大,所以在雨过天晴或秋高气爽时(空中较粗微粒比较少,以分子散射为主),在大气分子的强烈散射作用下,蓝色光被散射至弥漫天空,天空即呈现蔚蓝色。
其实太阳光谱中紫色光比蓝色光波长更短,那么为何天空不是紫色的呢?这是因为太阳光中紫光含量较少,而且人眼对紫光不敏感,所以蓝光才起到了主导作用。而直视太阳时,短波长的光由于都被散射到四面八方,因此进入眼镜的反而是更长波长的黄色光。
但早晨和傍晚我们直视太阳时,由于太阳高度很低,到达我们人眼的太阳光经历了更长的路程,就连黄色的光都被散射了,剩下的则是更长波长的红光,因此看起来太阳呈现红色。
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