為什麼天空和地球看起來都是藍的?絕對不是你想的那樣簡單!

一直以來普羅大眾可能都任何天空之所以為藍色
應該是因為海水是藍色的關係
但是「帶至不是憨人想的那麼簡單!」
本篇文章詳盡的解釋了天空及海水顏色的原理
大家一起看看這篇報導吧!
長知識以外,又更了解我們的地球媽媽了

對一個充滿好奇心的孩子來說,第一個可能對自然世界提出問題就是:「天空為什麼藍的?」 儘管這個問題是如此的普通,但許多理解仍存在偏差,例如:因為它會反射海洋的顏色;因為氧氣是種藍色氣體;因為陽光有一種淺藍色的色調等等,而正確的答案卻往往被忽視。還有另外一個同樣有趣的問題則是:「為什麼從太空中看地球是藍色的?」 這可跟地球的大氣一點關係都沒有哦!下面就讓我們來探討這兩個問題。

天空為什麼是藍色的呢?

事實上,天空呈藍色的原因是三個簡單因素的結合:太陽光由許多不同波長的光組成地球大氣由對不同波長的光有著不同程度散射的分子組成,以及我們眼睛對不同波長的光敏感度不同。綜合考慮到這三個因素,就會發現藍色是天空命中注定的顏色。下面,我們就來看看它們是如何結合在一起的。

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○ 陽光是由許多不同波長的光組成的,並非所有都可見。地球大氣對不同波長的光有著不同程度的影響,因此我們才能觀測到不同的光學現象。 |圖片來源:Negative Space / Pexels

陽光由各種不同顏色的光所組成的。太陽的光球溫度很高,將近6000K,它輻射的電磁光譜範圍非常廣,從最高能的紫外線到可見光,從紫光到紅光,然後再深入紅外光部分的光譜。光的能量和波長呈反比(和頻率呈正比),能量越高波長越短,反之亦然。稜鏡可以將陽光分解成各種不同的光,原因就在於較紅的光具有比較藍的光更長的波長。

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○ 光線進入稜鏡後被分解成不同顏色的光。 |圖片來源:LucasVB / Wikimedia Commons

事實上,不同波長的光與物質的相互作用有不同的反應這一事實在我們的日常生活中是非常重要且有用的。例如,微波爐中的大孔洞,它能夠讓短波的可見光進進出出,但又能使波長更長的微波被困在腔內來回反射;再如太陽鏡上那層能反射紫外線、紫光和藍光,但允許較長波長的綠、黃,橙、和紅光通過的塗層;而構成我們大氣的那些微小的粒子,像氮、氧、水、二氧化碳分子以及氬原子,雖然能夠散射所有波長的光,但對短波的光具有更高效的散射。

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○ 瑞利散射。 |圖片來源:Hyperphysics由於這些分子的大小都比光本身的波長小得多,光的波長越短,被散射得越厲害。它在計算上遵循的一個叫瑞利散射的法則。根據這個法則,我們發現可見光短波極限處的紫光比長波極限處的紅光散射的頻率要高出九倍以上。(散射強度與波長的四次方成反比:I ∝ λ)當太陽光落在地球大氣層時,較紅的那部分光只有約11%會被散射,再以看著像紫色的光一樣抵達我們的眼中。

因此當太陽高高懸掛在天空中時,整個天空都是藍色的。根據太陽的位置和你正在觀看的區域,天空的顏色會出現一些有趣的現象。

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○ 在日落之後或日出之前,從非常高的海拔上可以看到陽光被大氣層散射後呈現出的多彩畫面。 |圖片來源:Public domain

如果太陽低於地平線,那麼光線都必須穿過大量的大氣。藍光在各個方向都能被散射,而較紅的光被散射得要少得多,這意味著它穿過大氣抵達我們的眼睛。如果你有過在日落之後或日出之前乘坐飛機的經歷,就應該看到過這一壯觀的景象。而在外太空中的太空人則有機會觀看到更加美輪美奐的畫面。

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○ 2010年5月,在日落期間從國際空間站上眺望地球的大氣層。 |圖片來源:NASA/ISS

在日出、日落或月出、月落時分,來自太陽或月亮的光必須經過大量的大氣;它們越是接近地平線,光需要通過的大氣就越多。藍光會被全方位的散射,而紅光被散射的效率要低很多。這意味著太陽或月亮自身會變紅,而太陽和月亮附近的光,也就是在抵達我們眼睛之前接觸到大氣然後散射的光線,在那一段時間都會呈紅色。

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○ 由於要穿過大量的大氣,從太陽(或月亮)來的光線在接近地平線的時候會偏紅。 |圖片來源:Max Pixel / FreeGreatPicture.com

而在日全食期間,月亮的陰影阻止陽光直射到你附近的大部分大氣層,地平線會變紅,但其他地方不會。因為在整體路徑之外的光線會散射到在各個方向,這就是為什麼大部分天空仍是藍色。但在地平線附近,各個方向被散射的光很可能在它到達你的眼睛之前再次被散射。而紅光是最可能穿越一切的光波,並最終超越了被更有效散射的藍光。

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○ 瑞利散射影響藍光的程度要比紅光嚴重的多,但在可見波長中,紫光才是被散射的最厲害的。但由於我們眼睛敏感度使我們看到藍光,而不是紫光。 |圖片來源:Dragons flight / KES47 of Wikimedia Commons

說到這裡,你可能還有一個問題:如果較短波長的光被散射得更厲害,那為什麼天空不是紫色的呢?事實上,與藍光相比,有更大量的紫光會穿越大氣,但其他顏色的光會混合。人的眼睛有三種用來偵測顏色的視錐,以及單色視杆,當接收到一個信號時,人的大腦會對它進行解讀並將其與一個顏色進行匹配。

每種類型的視錐和視杆,都對不同波長的光敏感,但是它們都被天空激發到一定程度。我們的眼睛對藍色、青色和綠色的光比對紫光反應更強烈。即使天空中存在更多的是紫光,但它仍不足以與我們大腦內強大的藍光信號相抗衡。

正是這三個因素組合在一起,即:

  1. 太陽光是由許多不同波長的光組成
  2. 大氣中的粒子顆粒非常小,能更有效的散射較短波長的光
  3. 人的眼睛對不同顏色有不同敏感度

使得天空在人的眼中呈藍色。如果我們能夠非常有效地看到紫外線,天空可能會有更多的紫色;如果我們像狗狗一樣只有兩種類型的視錐體,那我們就只能看到白天時的藍天,而看不到日落時的紅色、橙色和黃色。

但當我們從太空看地球時,地球也是藍色的——別被騙了,那跟大氣層可一點關係都沒有!

為什麼從太空中看到的地球是藍色的呢?

火星是顆紅色星球,月亮是灰白色的,土星放出黃光,我們的太陽是閃耀著的是璀璨奪目(看多了要瞎)的白光。而我們居住的地球,無論從深空、還是略高於我們的近地軌道、亦或是去到太陽系的外太空,看到的地球都閃耀著美麗的藍色。但這是為什麼?為什麼地球看上去是藍色的?

首先,不是整個星球都是藍色的。雲層本身是白色的,反射白光。另外,因為相同的原因,像地球兩極上帽子一樣的冰雪也是白色的。從遠處看到的大陸,看上去要麼呈棕色,要麼是綠色,這取決於當時的季節以及當地的植被覆蓋情況。

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○ 圖片來源:NASA Earth Observatory

從中我們了解到的重要信息是:地球不是因為天空和大氣是藍色而呈藍色的。因為如果是這樣的話,那麼從表面反射出的光將都是藍色,這與我們看到的情況不相符。但也有真正來自藍色的部分——海洋。地球上藍色的程度取決於海水的深度。仔細看下圖,你會注意到相比於深藍色的海洋,與大陸毗鄰的區域(沿著大陸架)會出現較淺的青綠色色調。

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○ 圖片來源:NASA’s Blue Marble / VIIRS / Suomi NPP

你可能聽說過「海洋之所以是藍色,是因為天空是藍色的,海水正是反射了天空的顏色」這樣的論調。我們已經在上文討論過天為何是藍色的了。但如果真的只是簡單的因為海洋反射了天空的顏色,那我們就不應該看到海洋出現這些深淺不一的藍色。如果你在自然光條件下在深入水中拍攝照片,就會注意到當潛到一定深度時,周圍所有的一切幾乎都會呈淡淡的藍色。

事實是,海洋是由水分子構成的,像所有分子一樣,水分子能優先吸收某些波長的光。最容易被水分子吸收的光是紅外線、紫外線和紅光。這意味著如果你潛到更深的深度時,你從太陽那裡感受到的溫暖會更少,你將免受紫外線的輻射,周圍的事物開始變藍,如同紅光被完全奪走一樣。

再往深處一點,橘色光也徹底消失了。

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○ 圖片來源:Dennis Jarvis

再向下,黃光,綠光和紫光都開始不見。

最後當我們到達幾公里的深度時,藍光也消失了。

這就是為什麼最深的深海處是深藍色的,因為所有其他波長的光波都被吸收了,而最深的藍色最有可能被反射並重新輻射回宇宙。這也是為何假如整個地球都被海洋覆蓋,那麼只有11%的來自太陽的可見光會被反射回太空中去,因為海洋實際上相當擅長吸收陽光!

基於地球70%的表面被海洋覆蓋,且大部分都是深海區這一事實,導致我們的世界從遠處看來是藍藍的。

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○ 海王星(左)和天王星(右)。 |圖片來源: NASA / Voyager 2

太陽系裡的另外兩顆藍色星球天王星和海王星,其大氣層主要由氫氣、氦氣和甲烷構成。(海王星有更多的冰,並具有更多種類的化合物,因此會出現不同色調。)在足夠大的濃度下,甲烷在吸收紅光和反射藍光方面要強一些,而氫氣和氦氣幾乎對所有可見光譜都透明。對於藍色的大型氣體星球來說,其顏色實際是由天空本身的顏色決定的。

但對地球來說,我們的大氣層很薄,不足以對我星球的著色負責。天空和海洋並不是因為互相反射才呈藍色,而是它們本身各自都是藍色的。如果你能設法把海洋全部吸干,那麼在地球表面的人看到的天空仍是藍色;如果你能設法把天空撤掉,但仍以某種方式維持地表的液態水,那麼從太空中看我們的地球還是仍然是藍色。

藍色是我們這顆小小星球的本命色啊!

文章來源:原理

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