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蓝天(大气物理学用语)

蓝天,即地球的大气层,正常情况下常呈现蓝色。19世纪中叶英国物理学家丁铎尔认为波长较短的蓝色光,容易被悬浮在空气中的微粒阻挡,散射向四方,这一说法至今在中国基础教育中仍广泛接受。但该说法存在明显漏洞,后来19世纪80年代,瑞利发现空气本身的氧和氮等分子对阳光就有散射,而蓝色光容易被散射,空气分子的散射就可以作为“天蓝”的主因。1910年爱因斯坦科学解释了蓝天的原因,即空气自身的密度涨落等对阳光的散射形成了蓝天。

蓝天,其实是地球的大气层。中国基础教育与科普界主要沿用19世纪中叶英国物理学家丁铎尔(John Tyndall,1820-1893)的理论来解释“蓝天”出现的原因,尽管该观点后来被证实并不完全正确。

晴朗的天空是蔚蓝色的,这并不是因为大气本身是蓝色的,也不是大气中含有蓝色的物质,而是由于大气分子和悬浮在大气中的微小粒子对太阳光散射的结果。由于介质的不均匀性。使得光偏离原来传播方向而向侧方散射开来的现象,称为介质对光的散射。细微质点的散射遵循瑞利定律:散射光强度与波长的四次方成反比。当太阳光通过大气时,波长较短的紫、蓝、青色光最容易被散射;而波长较长的红、橙、黄色光散射得较弱,由于这种综合效应,天空呈现出蔚蓝色。

这是因为太阳光线射人大气层后,遇到大气分子和悬浮在大气中的微粒发生散射的结果。根据科学家的测定,蓝色光和紫色光的波长比较短,相当于“小波浪”;橙色光和红色光的波长比较长,相当于“大波浪”。当遇到空气中的障碍物的时候,蓝色光和紫色光因为翻不过去那些障碍,便被“散射”得到处都是,布满了整个天空。天空就是这样被“散射”成了蓝色。

丁铎尔散射

空气中会有许多微小的尘埃、水滴、冰晶等物质,当太阳光通过空气时,波长较短的蓝、紫、靛等色光,很容易被悬浮在空气中的微粒阻挡,从而使光线散射向四方,使天空呈现出蔚蓝色。中文世界中,大小权威的教育和科学网站,大多仍采用上述“标准答案”。 

这个“天蓝”解释,基本上是19世纪中叶的水平。它是英国物理学家丁铎尔(John Tyndall,1820-1893)首创的。常称作丁铎尔散射模型。确实,“波长较短的蓝色光,容易被悬浮在空气中的微粒阻挡,……散射向四方”。但它并不是“天蓝”的真正原因。如果天蓝主要是由水滴冰晶等微粒的散射引起的,那末,天空的颜色和深浅,就应随着空气湿度的变化而变化。因为当湿度变化时,空气中水滴冰晶的数目会明显变化。潮湿地区和沙漠地区的湿度差别很大,但天空是一样的蓝。丁铎尔散射模型解释不了。到19世纪末叶,丁的天蓝解释已被质疑。 

瑞利散射

1880年代,瑞利(John Rayleigh,1842-1919)注意到,根本不必求助尘埃、水滴、冰晶等空气中的微粒,空气本身的氧和氮等分子对阳光就有散射,而且也是蓝色光容易被散射。所以,空气分子的散射就可以作为“天蓝”的主因。 

然而,各个分子有散射,不等于空气整体会有蓝色。如果纯净的空气是极均匀的,分子再多也没有“天蓝”。就像一块极平的镜子,只有折射或反射,而极少 散射。在均匀一致的环境中,不同分子的散射相互抵消了。就如在一个集体纪律超强的环境(如监狱)中,每个人的独立和散漫行为被彻底压缩。而“天蓝”靠的就是分子各自的独立和相互不干涉,或少干涉。 

为此,瑞利假定,空气不是分子的“监狱”。相反,氧和氮等分子,无规行走,随机分布。瑞利由这个模型算出的定量结果,很好地符合天蓝的性质。1899年,瑞利写了一篇总结式的文章“论天空蓝色之起源”(J.Rayleigh,Phil.Mag.XLVII,375,1899),开宗明义就说:“即使没有外来的微粒,我们依旧会有蓝色的天”。“外来的微粒”即指丁铎尔散射所需要的。从此,丁铎尔的天蓝理论被放弃。瑞利散射成为“天蓝”理论的主流。 

瑞利的天蓝理论虽然很成功,瑞利的分子无规分布假定,也有根据。然而,瑞利实质上还要假定空气是所谓理想气体,这是一个不大的,但也不可忽略的弱点。因为空气不是理想气体。 

爱因斯坦理论

1910年,爱因斯坦最终解决了这个问题。爱因斯坦用当时刚刚发展的熵(混乱的度量)的统计热力学理论证明:那怕最纯净的空气,也是有涨落起伏的。空气本身的密度涨落也能散射,也是蓝色光容易被散射。密度涨落的散射,不多也不少,正好能产生我们看到的蓝天。如果空气是理想气体,爱因斯坦的结果就同瑞利的一样。所以,简单地说,天空蓝色之起因是:“空气中有不可消除的‘杂质’,即空气自身的涨落。密度涨落等对阳光的散射,形成了蓝天。”“天蓝”起源物理不是爱因斯坦首创,但最完整的理论是爱因斯坦奠定的。所以说,“天蓝”物理学,完成于1910年。 

瑞利和爱因斯坦的“天蓝”理论,是普遍适用的。可以用来解释纯净空气中的“蓝天”现象,也可以用来解释纯净的水,纯净的玻璃等液体或固体中的“蓝天”现象。 

高锟先生在他为“光纤通讯”奠基的第一篇论文(C.Kao,Proc.IEE,113,No.7,1966 2010)中引用的第一个物理公式,就是爱因斯坦的“天蓝”瑞利散射公式(即Einstein-Smoluchowski公式)。玻璃是凝固了的液体。即使最理想的玻璃,没有气泡,没有缺陷,玻璃中依旧有不可消除的‘杂质’,即玻璃本身的不可消除的涨落。在光纤中传播的讯号(光波),会被玻璃的涨落散射。“天蓝”机制,是光纤通讯讯号损失的一个物理主因。它是不能用光纤制造技术消除的。只能选择“不太蓝”的光,减低它的影响。 

“蓝天”也是对空气质量状况评价的一种通俗的说法。中国的环保部门要对空气中可吸入颗粒物、二氧化硫、二氧化氮等多项污染物的监测。实时监测数据经汇总和计算后得出当天的空气污染指数(API),从而判断空气质量的等级。 

中国采用的空气污染指数分为五个等级,API值小于等于50,说明空气质量为优;API值大于50且小于等于100,表明空气质量良好。如果当日空气质量污染指数在100以下,则称之为“蓝天”。也就是说,虽然天空看起来不蓝,甚至是在下雨,但空气质量不错,仍然可认定为“蓝天”。 

因此,依据空气污染指数得出的“蓝天”并非感官意义上的蓝色天空。有报道,有两名市民坚持不懈地每天拍摄一张照片记录蓝色天空的数量,照片显示数量为180天。而同期北京官方发布的“蓝天”数量为285天,两者相差逾百日。 



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