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藍天

(大氣物理學用語)

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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達爾認為頻率較高的藍色光,容易被懸浮在空氣中的微粒阻擋,散射向四方,這一説法在中國基礎教育中仍廣泛接受。但該説法存在明顯漏洞,後來19世紀80年代,瑞利發現空氣本身的等分子對陽光就有散射,而藍色光(高頻光)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。
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

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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。
丁達爾認為,空氣中會有許多微小的塵埃、水滴、冰晶等物質,形成了膠體,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膠體粒子阻擋,反射向四面八方,從而使天空呈現出蔚藍色。
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
藍天(24張)
簡而言之,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:散射光強度與頻率的四次方成正比。當太陽光通過大氣時,頻率較高的綠、藍、紫色光最容易被散射;而頻率較低的紅、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

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達爾(John Tyndall,1820-1893)首創的。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。 [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。 [1] 
瑞利的天藍理論雖然很成功,瑞利的分子無規分佈假定,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。 [1] 
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首創,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。 [1] 
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。 [1] 
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。 [1] 

藍天空氣質量用語

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“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。 [2] 
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”。 [2] 
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。 [2] 
參考資料