太阳照过来的一束光,蓝光一路被空气弹走 右上角是太阳,一束白色的阳光斜着照下来,进了空气以后变成六种颜色并排走:路上一个个空气分子把紫光、蓝光弹向四面八方,走到最后只剩下橙光和红光。左边是一个大问号。 ? 天为什么是蓝的, 不是红的、绿的? 蓝光最容易被空气弹开

抬头看看晴天的天空,它是蓝色的。可是到了傍晚太阳快下山的时候,天边又变成了橙色、红色。

这就奇怪了:天上明明只有一个太阳,阳光看起来也是白白的,蓝色和红色到底是从哪儿来的?

这篇文章,我们就跟着这个问题,一步一步往下找答案。

先想一想

在往下读之前,先猜一猜:天空是蓝的,是因为天上有蓝色的东西吗?还是因为它把大海的颜色反射上去了?把你的猜想记下来,读完再看看猜对没有。

一、白色的阳光里藏着什么

发现:阳光可以被拆开

下过雨以后,有时候能看到彩虹。彩虹里有红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫好多种颜色,它们全都来自阳光。

这说明,白色的阳光其实是很多种颜色的光混在一起。平时它们挤在一起,我们只看到白色;遇到水珠,它们被分开了,我们才看到一条一条的颜色。

白色的阳光可以被拆成很多种颜色 阳光从左边射进三棱镜,在里面拐了个弯,从另一边出来时分成了红、橙、黄、绿、蓝、紫六种颜色,红光拐得最少,紫光拐得最多。 白光进去,彩色出来 雨后的小水珠也能做到 红光 橙光 黄光 绿光 蓝光 紫光 阳光 看起来是白色的 三棱镜 六种 颜色 白光其实是很多种颜色的光混在一起;遇到三棱镜,它们拐的弯不一样大,就分开了
图 1 · 白色的阳光穿过三棱镜,被拆成了好多种颜色,彩虹也是这样来的

不同颜色的光,有什么不一样?

光是一种波,就像水面上一圈一圈的波纹。不同颜色的光,波纹的“步子”大小不一样:

  • 红光步子大,波纹又长又平缓。
  • 蓝光、紫光步子小,波纹又短又密。
红光的步子大,蓝光的步子小 上面是红光的波纹,一步约 700 纳米,在同样长的一段里只走了 3.7 步;下面是蓝光的波纹,一步约 450 纳米,同样长的一段里走了 5.7 步。 红光 一步约 700 纳米 蓝光 一步约 450 纳米 一步 一步 步子大 波纹又长又缓 步子小 波纹又短又密 这一段里走了约 3.7 步 同样一段,走了约 5.7 步
图 2 · 不同颜色的光,波纹的“步子”大小不一样:红光步子大,蓝光步子小(纳米是非常非常小的长度单位,一纳米是十亿分之一米)

记住这一点,它是解开蓝天秘密的钥匙。可是,光的步子大小,跟天空的颜色有什么关系呢?

二、空气把蓝光“弹”得到处都是

空气不是空的

我们看不见空气,但空气里其实挤满了非常非常小的颗粒,叫作“分子”。它们小到用最厉害的放大镜也看不见。

阳光从太空照进来,要穿过厚厚的一层空气,才能到达我们的眼睛。一路上,光会不停地撞到这些空气分子。

小步子的蓝光最容易被弹开

光撞上空气分子以后,会被弹向四面八方,科学家把这叫作“散射”。最关键的是:步子越小的光,越容易被弹开1。

蓝光的步子比红光小得多,所以蓝光被弹开的次数,大约是红光的 5 倍多。

于是,红光、黄光大多直直地穿过空气;蓝光却被空气分子弹得满天都是。这时候,不管我们朝天空的哪个方向看,都有被弹过来的蓝光钻进眼睛里。整片天空,看起来就是蓝色的了2。

空气分子最容易把蓝光弹开 红光从左边进来,大多直直穿过空气;蓝光撞上一个空气分子,被弹向四面八方。下面的小条表示:蓝光被弹开的次数,大约是红光的 5 倍多。 阳光穿过空气 空气分子画得放大了很多很多倍 红光:大多直直穿过去 蓝光:撞上分子, 被弹向四面八方 一个空气分子 被弹开的次数 红光 1 份 蓝光约 5.5 份
图 3 · 空气分子最容易把步子小的蓝光弹开,弹得满天都是
小知识

紫光的步子比蓝光还小,照理说应该被弹得更多,那天空为什么不是紫色的?原因有两个:阳光里的紫光本来就比蓝光少;我们的眼睛对蓝光也比对紫光敏感得多。所以我们看到的,就是蓝色。

天空为什么不是紫色的 左边比较阳光里蓝光和紫光有多少:紫光比蓝光少。右边比较眼睛对它们有多敏感:对紫光不敏感得多。 阳光里,有多少这种光 示意 多 少一些 蓝光 紫光 眼睛对它有多敏感 示意 很敏感 不太敏感 蓝光 紫光 紫光两样都比不过蓝光,所以天空看起来是蓝色的
图 4 · 紫光虽然被弹得更多,但阳光里紫光少,眼睛对它也不敏感(示意图,柱子高低只表示多和少)

三、傍晚的天空为什么变红了

现在我们知道蓝光是怎么来的了。可是开头还有另一半问题:同一片天空,傍晚为什么会变成橙红色?

阳光要走的路变长了

中午,太阳高高挂在头顶,阳光几乎是直直地照下来,穿过的空气比较薄。

傍晚,太阳快落到地平线下面了,阳光只能斜着照过来,要穿过的空气比中午厚很多很多。

中午和傍晚,阳光穿过的空气厚度不一样 中午阳光从头顶直直照下来,只穿过薄薄一层空气;傍晚阳光从地平线方向斜着照过来,要在空气里走很长一段,蓝光在路上几乎都被弹走了。 太空 一层空气 短短一段 中午的太阳 直直照下来 傍晚的太阳 斜着走过长长一段空气,蓝光一路被弹走 你在这里
图 5 · 傍晚的阳光要在空气里走的路,比中午长得多

蓝光在半路被弹光了

路变长了,阳光撞上的空气分子也就更多。蓝光本来就最容易被弹开,走着走着,几乎全被弹到别的方向去了。

等阳光终于到达我们眼前时,剩下的主要是不容易被弹开的橙光和红光。所以傍晚的太阳和它旁边的天空,就变成了橙红色。

傍晚的阳光一路丢掉蓝光 一束各种颜色都有的阳光从左边进入很长一段空气,紫光、蓝光最先被弹走,接着是绿光、黄光,到右边眼睛里只剩下橙光和红光。 傍晚:阳光要在空气里走很长很长一段 刚进入空气 快到眼睛 紫光、蓝光最先被弹走 然后是绿光、黄光 一开始:什么颜色都有 最后只剩 橙光和红光
图 6 · 傍晚的阳光一路走、一路丢掉蓝光,到我们眼前就只剩下橙红色了

你看,晴天的蓝和傍晚的红,其实是同一个原因:空气最喜欢弹开蓝光。

四、动手试试:在杯子里造一片天空

动手试试

你需要: 一个透明玻璃杯、清水、一点点牛奶、一支手电筒,在比较暗的房间里做。

  1. 杯子里倒满清水,滴进 5~10 滴牛奶,搅一搅。水应该只是有一点点浑,不要太白。
  2. 用手电筒从杯子侧面照进去,从另一个侧面看水,会发现水微微发蓝。
  3. 再把手电筒放在杯子后面,隔着杯子正对着手电筒看,光会变成淡淡的橙黄色。

牛奶里的小颗粒,就像空气里的分子:从侧面看,看到的是被弹开的蓝光,像晴天的天空;正对着看,看到的是蓝光被弹走以后剩下的光,像傍晚的太阳。

在杯子里造一片天空 手电筒从左边照进一杯加了几滴牛奶的水。从杯子侧面往里看,水微微发蓝;在右边正对着手电筒看,光变成淡淡的橙黄色。 在杯子里造一片天空 在暗一点的房间里做 手电筒 加了几滴牛奶的水 牛奶里的小颗粒,像空气分子 正对着看:淡淡的橙黄色 从侧面看:水微微发蓝
图 7 · 牛奶水就像一小片天空:从侧面看到被弹开的蓝光,正对着看到剩下的橙黄光
注意安全

不要用手电筒照眼睛,更不要直接看太阳,哪怕是傍晚的太阳也不行。

小结

回到开头的问题,我们一路找到了这些答案:

  1. 阳光是什么颜色? 白色的阳光里,混着红、橙、黄、绿、蓝、紫好多种颜色的光。
  2. 天空为什么是蓝的? 蓝光步子小,最容易被空气分子弹开,弹得满天都是,所以天空看起来是蓝色。
  3. 为什么不是紫的? 阳光里紫光少,我们的眼睛又对蓝光更敏感。
  4. 傍晚为什么变红? 阳光斜着穿过更厚的空气,蓝光在半路被弹光了,剩下橙光和红光。

现在,你开头的猜想猜对了吗?下次看到蓝天和晚霞,可以讲给身边的人听一听。

参考资料

Footnotes

  1. Rayleigh scatteringWikipediaen.wikipedia.org ↗瑞利散射:越短的光被空气弹开得越多https://en.wikipedia.org/wiki/Rayleigh_scattering ↩

  2. Why Is the Sky Blue?NASA Space Placespaceplace.nasa.gov ↗NASA 给小朋友写的科普页,有动画https://spaceplace.nasa.gov/blue-sky/en/ ↩