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为什么我们看到的天空是蓝色的

发布时间:2016-08-05编辑:余斗阅读:(0)字号:
    完整解决天空为什么是蓝色的这个问题需要知道两件事情:光的 Rayleigh 散射和 Planck 黑体辐射方程。这个问题其实可以编成一道脑洞大开的题目: 已知地球的天空是蓝色的,求太阳表面温度。 Rayleigh 散射说的是,对于尺度比光的波长小很多的微粒,其散射光的强度与入射光的波长的四次方成反比,即 为什么我们看到的天空是蓝色的 蓝光的波长短,因此散射光强度大。 可是紫色的光波长更短,为什么天空不是紫色的? 上面这个问题的成因比较复杂。考虑到大气层散射的是太阳光,天空显示什么颜色与太阳本身的波谱就有很大关系。如果太阳光里原本就没有任何蓝色的成分,(只考虑弹性散射)天空自然不会显示蓝色。事实上,太阳波谱如下图: 为什么我们看到的天空是蓝色的 浅黄色的部分是未经大气层散射之前的波谱。从图中可以看到,太阳光原本的频率成分就主要集中在 500nm 左右,属于蓝色和绿色的交界。在太阳光中,紫色波段的光原本就很少,因此天空不显紫色显蓝色。 事实上,太阳可以视作一个理想黑体。因此太阳的波谱可以看作黑体辐射谱。对于黑体辐射谱,有 Planck 黑体辐射方程: 为什么我们看到的天空是蓝色的 其分布函数的形状如上图中的黑色线。结合 Rayleigh 散射与 Planck 黑体辐射,我们可以得到经过 Rayleigh 散射以后的黑体辐射谱: 为什么我们看到的天空是蓝色的 不妨设定 为什么我们看到的天空是蓝色的 可以计算得到 为什么我们看到的天空是蓝色的 左右。 通过其他方式测得的太阳表面温度大约为 5800K,和我们的计算得到的结果在一个数量级内。考虑到我们的模型是极度简化的,这个结果可以令人满意。 除了太阳的辐射谱本身就缺乏紫色成分以外,天空不显示紫色还和人眼成像原理有关。人眼中有三种颜色的视锥细胞 (cone cells),分别感受三种颜色。 为什么我们看到的天空是蓝色的 三种细胞对不同颜色的敏感度如下: 为什么我们看到的天空是蓝色的 可以发现,紫色的光除了最强烈地刺激蓝色视锥细胞以外,还会刺激红色和绿色的视锥细胞。如果天空中没有任何紫色的光的成分,那么人类感受到的天空应该为蓝绿色。正是因为天空散射的光有很多紫色的成分,它们刺激了红绿视锥细胞,我们看到的天空才显示出淡蓝色。下图是在 B=255 时的 RGB 颜色平面。 为什么我们看到的天空是蓝色的 为什么天空显示蓝色,还有一种生物进化论的观点。天空显示蓝色和环境的颜色相符合,不会影响人类发现身边的危险,从而提升人类在自然界中的生存力。
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