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藍天
(大氣物理學用語)
鎖定
- 中文名
- 藍天
- 地理術語
- 地球的大氣層
- 正常情況下
- 呈現藍色
- 出現原因
- 高頻光容易被散射
藍天顏色原理
藍天傳統觀點
藍天,其實是地球的大氣層。在很長的一段時間裏,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達爾(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。
後來,英國物理學家瑞利(Rayleigh)用波的散射理論成功解釋了“藍天”出現的本質原因。天空之所以會呈現出蔚藍色,這是因為太陽光線射入大氣層後,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,綠色光、藍色光和紫色光的頻率比較高,則波長比較短,相當於“小短腿”;紅色光、橙色光和黃色光的頻率比較低,則波長比較長,相當於“大長腿”。當遇到空氣中的障礙物的時候,藍色光因為“步子小而快”(頻率高而波長短),便被“散射”得到處都是,佈滿了整個天空。天空就是這樣被“散射”成了藍色。
而在早上和晚上,由於太陽光是斜射的,傳播路徑比較長,太陽光在通過厚厚的大氣層後,那些“腿短”,“步子小”(波長短)的藍色光基本都被懸浮在大氣中的微粒給擋住了,走不遠,而紅色光因為“腿長”,“步子大”(波長長),很容易跨過障礙物,因此不容易被阻擋,可以到達更遠的地方,所以我們在日出和日落時看到的朝霞和晚霞往往是紅色的。
藍天(24張)
藍天觀點的發展
丁達爾散射
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,頻率較高的綠、藍、紫等色光,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,大小的教育和科學網站,大多仍採用上述“標準答案”。
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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達爾(John Tyndall,1820-1893)創立的。常稱作丁達爾散射模型。確實,“頻率較高的藍色光,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,就應隨着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。丁達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。
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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。
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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。
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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,隨機分佈。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),開宗明義就説:“即使沒有外來的微粒,我們依舊會有藍色的天”。“外來的微粒”即指丁達爾散射所需要的。從此,丁達爾的天藍理論被放棄。瑞利散射成為“天藍”理論的主流。
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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,簡單地説,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創立,但最完整的理論是愛因斯坦奠定的。所以説,“天藍”物理學,完成於1910年。
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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。
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藍天空氣質量用語
“藍天”也是對空氣質量狀況評價的一種通俗的説法。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。實時監測數據經彙總和計算後得出當天的空氣污染指數(API),從而判斷空氣質量的等級。
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中國採用的空氣污染指數分為五個等級,API值小於等於50,説明空氣質量為優;API值大於50且小於等於100,表明空氣質量良好。如果當日空氣質量污染指數在100以下,則稱之為“藍天”。也就是説,雖然天空看起來不藍,甚至是在下雨,但空氣質量不錯,仍然可認定為“藍天”。
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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。有報道,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。而同期北京官方發佈的“藍天”數量為285天,兩者相差逾百日。
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- 參考資料
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- 1. 天為什麼是藍色的 .方勵之紀念文集.2010-4-16[引用日期2013-06-01]
- 2. 環境數值緣何與感官不一樣 .中國環境網.2011-9-7[引用日期2013-06-01]