蓝天、白云、红日的光学原理

科学研究表明，地球的大气层充满了灰尘和其他悬浮粒子，而且大气层也不是完全透明的。蓝天、白云和红日实际上是阳光被大气散射的结果。当阳光进入地球大气层时，空气和水蒸气分子吸收部分阳光并向四面八方辐射。这种现象被称为散射。特别是对于一个大气分子，它的内部电荷会在太阳光束的电场作用下振动，从而产生一些不同于原始阳光方向的散射光，进一步衰减原始光束的能量。由于大气分子的自然频率通常位于光谱的紫外区的频率范围内，并且除了蓝光和紫光的频率之外，可见光中其他单色光的频率相对较小，因此仅由穿过大气的太阳光中的蓝光和紫光引起的大气分子电荷的强迫振动的幅度最大，并且蓝光和紫光比其他可见光散射得更强。大气中散射光的颜色是蓝色，这就是为什么晴朗的天空是蓝色的。因此，不难想象，如果地球周围没有大气层，也就没有大气层来散射直线阳光。那么，在白天，除了直视太阳，我们将不会收到任何来自天空的光。此时，天空就像夜晚，星星闪烁着，漆黑一片。在晴朗的早晨和晚上，太阳几乎与地面平行，如图1所示。阳光必须穿过非常厚的大气层才能到达地面上的观察者的眼睛。这时，阳光中的蓝光和紫光散射最强。此外，地面附近的雾滴和灰尘加强了散射。因此，在大部分蓝光和紫光被散射后，太阳看起来是红色的。中午，太阳穿过的大气相对稀薄，空气中的水分减少。大气对阳光的散射相对较弱，所以太阳是白色的。同样的道理，在早上和晚上，大部分从太阳散射的蓝色和紫色光照射到云上，然后红色和橙色的云和辉光从云传播到云时出现。然而，在阴天，混浊的大气和云层中有许多悬浮粒子，对所有波长的阳光都有很强的散射作用，因此天空是灰白色的。