“天空呈藍色”的物理模型

摘要：本文旨在探討天空為何呈現(xiàn)藍色。通過對大氣中的散射現(xiàn)象和光的色散特性進行研究，建立一個基于物理原理的模型，解釋天空呈現(xiàn)藍色的現(xiàn)象。本研究將從大氣組成、光的散射、人類視覺感知、散射公式的推導(dǎo)、科技中的應(yīng)用等方面入手，通過物理和數(shù)學(xué)模型的結(jié)合，聯(lián)系前人的研究，例如：瑞利散射、米氏散射、布朗運動理論等。深入分析天空呈藍色的原因，并提供相關(guān)實驗數(shù)據(jù)和理論證據(jù)來支持此模型。這一研究不僅有助于提高我們對光與大氣相互作用的理解，還可為光學(xué)、大氣科學(xué)等領(lǐng)域提供理論支持。同時，通過本研究，我們期望能更好地解釋一些與天空顏色相關(guān)的現(xiàn)象。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，未來對于模型的研究將更加深入。關(guān)鍵詞:天空呈藍色；大氣散射；瑞利散射；米氏散射；物理模型1引言天空呈藍色一直是個引人注目的現(xiàn)象，受到眾多科學(xué)家的關(guān)注。盡管人們對此有一些常識性的認知，但是對于具體的物理機制，仍然存在一定的爭議。本研究旨在通過建立一個物理模型，深入探討天空呈藍色的原理和機制，為這一現(xiàn)象提供更為準確和全面的解釋。在前期文獻調(diào)研中，我們發(fā)現(xiàn)已有大量關(guān)于天空呈藍色的研究。其中，瑞利散射理論是最為廣泛接受的理論之一。瑞利散射理論認為，大氣中的氣體分子對陽光中的藍色波段產(chǎn)生散射作用，使天空呈現(xiàn)藍色。此外，我們還發(fā)現(xiàn)了一些其他理論，如米氏散射等，但這些理論在解釋天空呈藍色方面不如瑞利散射被廣泛接受。瑞利散射雖曾解釋了天空為何呈藍色，但僅為理論原因。根本原因是氣體分子電離化，大量做高速布朗運動的圓球形或不規(guī)則形狀的顆粒，造成很密集的“瑞利散射光線”（動態(tài)散射現(xiàn)象）。陽光穿過大氣層會與其中的氣體和微粒發(fā)生相互作用。這些氣體和微粒會散射光線，使得光在空氣中傳播時改變方向。不同波長的光在散射過程中受到不同程度的影響，從而產(chǎn)生了不同顏色的散射光。我們將從大氣組成、光的散射、人類視覺感知、散射公式的推導(dǎo)、科技中的應(yīng)用等方面著手，探討天空呈藍色的原因?！疤炜粘仕{色”的物理模型在許多科技領(lǐng)域中都有著重要的應(yīng)用。例如，可以用于研究大氣光學(xué)、攝影等領(lǐng)域。米氏散射是人工降雨的基礎(chǔ)，在大氣光學(xué)中占重要地位。在遙感技術(shù)中，通過分析衛(wèi)星拍攝的照片中藍色的分布和變化，可以判斷出地球表面的氣候變化和環(huán)境污染狀況。差分光學(xué)吸收光譜系統(tǒng)和激光雷達系統(tǒng)用于環(huán)境污染監(jiān)測。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，未來對于模型的研究將更加深入。例如，如何利用模型更好地理解和預(yù)測氣候變化、如何改進技提度等。此外，隨著環(huán)境污染的日益嚴重，如何通過模型來研究大氣污染物的擴散和傳輸機制也將成為未來的研究重點。1.1大氣組成大氣主要由氮氣（約)、氧氣（約)、氬氣（約）組成，同時還包含水汽、氣溶膠粒子、塵埃等微粒。這些微粒的尺度差異很大，從小于1納米到大于100微米不等。大氣的這種組成使得它能夠吸收、散射和反射光線，從而影響我們對天空顏色的感知。這些微粒的存在，特別是氣溶膠粒子，對光的散射有重要影響。這些微?？梢宰鳛楣獾纳⑸渲行?，當(dāng)陽光通過這些微粒時，光線會發(fā)生散射，其中藍色光的散射程度最高，從而使天空呈現(xiàn)藍色。1.2光的散射光的散射指光束在介質(zhì)中微小粒子或分子的作用下，偏離原方向向四周傳播的現(xiàn)象。在可見光譜中，藍紫光波長較短。陽光進入大氣層與氣體分子發(fā)生相互作用，導(dǎo)致光的散射，其中短波長的光，如藍色光，比長波長的光更容易被散射。因此，當(dāng)陽光穿過大氣層時，藍色光被大量散射，使得天空呈現(xiàn)藍色。光在通過介質(zhì)時，由于波長較小的光更容易發(fā)生散射，因此光譜中藍紫光首先透出來。散射使光在原傳播方向上的光強減弱遵循如下規(guī)律： （1）其中為吸收系數(shù)，為散射系數(shù)。稱為衰減系數(shù)。1.3污染和懸浮顆?？諝馕廴竞蛻腋☆w粒也會影響天空的顏色。污染物和懸浮顆?？梢宰鳛楣獾纳⑸渲行模垢嗟墓饩€發(fā)生散射。純凈大氣層的分子達成瑞利散射條件，藍紫光波長較短更易被散射，天空是蔚藍的?？諝馕廴竞蟾鼉A向發(fā)生米氏散射，與蔚藍色相疊加，天空是淺藍色。特別是在城市等工業(yè)區(qū)域由于大量的污染物和懸浮顆粒的存在，天空的顏色可能會呈現(xiàn)出灰藍色或黃藍色等不正常的色調(diào)。1.4大氣密度大氣密度也會影響光的散射。在密度較高的地區(qū)，氣體分子之間的距離較小，光更容易發(fā)生散射。因此，在海拔較高的地區(qū)，由于大氣密度較低，藍色光的散射程度相對較低，導(dǎo)致天空的顏色可能會略帶紫色或紅色。相反地，在海拔較低的地區(qū)，由于大氣密度較高，藍色光的散射程度較高，天空更藍。高空也呈藍色的嗎?未必。越到高空，分子數(shù)減少得非常厲害，由青色（約高空）遞變?yōu)榘登嗌s高空），再遞變?yōu)榘底仙s高空），離地高度到達時，天空呈黑灰色[1]。隨著高度增加，空氣越稀薄，散射出的光輝逐漸變?nèi)酰炜樟炼仍絹碓桨怠?.5太陽高度太陽的高度也會影響天空的顏色。當(dāng)太陽接近地平線時，光線需要穿越的大氣層更厚，因此更多的藍色光被散射，導(dǎo)致天空的顏色更藍。而在太陽升至天空中高位置時，由于光線需要穿越的大氣層較薄，藍色光的散射相對較少，因此天空的顏色可能會變得較為明亮和柔和。1.6人類視覺感知人眼所能感受到的光的波長在的狹窄范圍內(nèi),對應(yīng)至的頻率范圍。這個波段內(nèi)的電磁波稱可見光,不同頻率引起不同的顏色感覺，牛頓首先用三棱鏡發(fā)現(xiàn)可見光中的七種顏色[2，3,4]。各單色光真空中的波長和顏色的對應(yīng)關(guān)系[5，6，7，8]。如圖1所示：圖1不同光色波長數(shù)據(jù)既然波長短的光更易被散射，那波長比藍光更短的紫光呢？其實天空中散射的紫光比藍光更多，但人眼不能識別[9,10]。人眼的三類接收器——紅、綠、藍錐體，只對相應(yīng)的顏色敏感。視覺系統(tǒng)在外界光的刺激下根據(jù)不同接受器受到刺激的強弱重建這些光的顏色[2,3,11]。人眼對藍光的敏感度更高，更易觀察到藍光，所以看到藍色的天空[2,3]。紅、綠錐體對藍光和紫光的刺激也有反映，但同時受到陽光的刺激，藍錐體接收到藍光的刺激較強，聯(lián)合結(jié)果為藍色，所以晴天天空是蔚藍的[12]。另外，由于視覺系統(tǒng)的色彩感知效果不同，人眼對顏色的感知還受到對比度、亮度等因素的影響，這些因素共同決定了我們看到的天空的藍色程度。但是總的來說，由于瑞利散射和藍色光的波長特性，我們通常認為天空是藍色的。此外，人眼輸送給大腦的畫面是有頻率的，天空的傳來的是稀疏、雜亂、閃爍的藍光線，類似電影畫面連續(xù)播放的錯覺，我們感覺到的是一片豐滿、均勻、柔和的藍天。2光的散射模型分類2.1瑞利散射物理學(xué)家瑞利在延德爾對混濁介質(zhì)（尤其是微粒線度小于光波波長）的散射現(xiàn)象做了大量實驗研究的基礎(chǔ)上，對小粒子散射進行了研究，觀察這種散射的實驗裝置如圖2（圖片來源于圖書[27]）：圖2瑞利散射的實驗裝置強光源發(fā)出白光經(jīng)透鏡后變成平行光射入玻璃容器，容器內(nèi)盛混濁介質(zhì)(Shaketomixupthewaterandmilk.Milk.isacolloid,whichcontainstinyparticlesoffatandprotein.Mixedwithwater,theparticlesscatterlightmuchasdustscatterslightintheatmosphere.Lightisscattereddifferently,dependingonitscolororwavelength.Bluelightisscatteredthemost,whiletheorangeandredlightisscatteredtheleast[13].)，從容器側(cè)面明顯觀察到散射光帶青藍色，透射光帶紅色。經(jīng)進一步研究發(fā)現(xiàn)，若光源中的光強按波長的分布函數(shù)用表示，則散射光的強度為式 （2）設(shè)白光中波長的紅光與的波長的藍光具有相同的強度，兩種波長之比為 （3）則散射光中藍光的強度與紅光強度之比為[13] （4）說明短波長的光更容易被散射。晴天天空的顏色就是瑞利散射導(dǎo)致的。塵埃、水分子、氣體分子的顆粒尺寸較小。藍光比黃光和紅光的波長短，散射更明顯。散射光中波長較短的藍光占優(yōu)勢，天空呈藍色[15,16]。定量的光譜分析表明，若入射光強度按波長的分布用函數(shù)來表示，則散射光的強度的分布為的形式。瑞利定律可用入射光作用下散射中心發(fā)生受迫振動而發(fā)射次波的強度公式： （5）作初步解釋。沿和軸成角的方向觀察時，散射光強度和振子振動圓頻率的四次方成正比，受迫振動頻率與入射光頻率相同，次波(疊加成為散射光)強度與入射光波長四次方成反比。瑞利散射的4個特征為[17,18]:（1）散射光和入射光波長相同。（2）散射光強度和波長四次方成反比： （6）（3）散射光強依空間方位呈啞鈴形角分布。設(shè)入射光是自然光，則在與入射光方向呈角的方向上，散射光強為 （7）其中為垂直入射光的散射光強，散射光強分布如圖3（圖片來源于期刊論文[15]）：圖3自然光瑞利散射光強的角分布（4）自然光入射時,各方向散射光通常為部分偏振光,但垂直入射光方向上的是線偏振光,沿入射光方向或其逆方向的仍是自然光[15,16,17,18]。2.2米氏散射米和德拜用球形質(zhì)點為模型計算電磁波的散射，得出球半徑滿足時，才滿足瑞利散射定律[14]。散射粒子的線度與波長相當(dāng)時，瑞利散射定律不再適用。米氏散射微粒較大。粒子線度與光波長可以比擬數(shù)量級為甚至更大時,散射光強對波長的依賴逐漸減弱,變化的幅度隨比值增大逐漸減少[15,19]，如圖4所示（圖片來源于期刊論文[15]）：圖4瑞利散射與米氏散射光的散射使光強按指數(shù)形式衰減，穿過厚度為1的介質(zhì)透射光強為 （8）其中，為吸收系數(shù)，為散射系數(shù)，稱為衰減系數(shù)。在很多情況下，和中一個往往比另一個小很多，可以忽略[14]。不同于瑞利散射呈對稱狀分布，米氏散射方向性比較明顯，在光線向前的方向比向后更強。米氏散射主要由大氣中的微粒，如塵埃、小水滴、氣溶膠等引起。顆粒大小對光的散射產(chǎn)生顯著影響，散射光的強度與波長的平方成反比，與頻率的二次方成正比[20,21]。2.3無選擇性散射無選擇性散射指散射過程中各種波長的光被散射的相對比例與它們在入射光中的相對比例相同。這種情況下，散射光和入射光的顏色相同。無選擇性散射通常發(fā)生在天氣惡劣、大氣中存在大量顆粒物的情況下。2.4方向性散射方向性散射指光在特定方向上被散射得更強的現(xiàn)象。這通常發(fā)生在光遇到較大顆?；蚪Y(jié)構(gòu)時，如霧、霾或煙塵。這種情況下，人們會觀察到光的路徑變得模糊，并且散射具有明顯的方向性。這種散射不僅影響天空的顏色，還會影響人們觀察物體的清晰度。大氣散射模型包含瑞利散射、米氏散射、無選擇性散射、方向性散射等多種形式。這些不同的散射形式不僅決定了天空的顏色，還影響了人們對物體的可見度和清晰度。了解這些散射形式，對于理解和預(yù)測天氣模式、空氣質(zhì)量和光學(xué)現(xiàn)象至關(guān)重要。3相關(guān)公式推導(dǎo)3.1能量和能流公式推導(dǎo)3.1.1電磁場中的能量和能流為更好地描述電磁場能量，引入兩個物理量：(1)場的能量密度，是場內(nèi)單位體積的能量，是空間位置和時間的函數(shù)，;(2)場的能流密度，數(shù)值上等于單位時間垂直流過單位橫截面的能量，方向為能量傳輸方向[22,23,24]。3.1.2電磁波的能量和能流平面電磁波能流密度為： （9）計算與瞬時值時，把實數(shù)表示代入得： （10）設(shè)和有復(fù)數(shù)表示： ，, （11）是和的相位差。對一周期的平均值為 （12）表示的負共軛，表示實數(shù)部分。能量密度和能流的平均值為： （13） （14）3.2瑞利散射公式的推導(dǎo)瑞利散射公式的推導(dǎo)是基于光的電磁理論和量子力學(xué)的基本原理進行的。以下是瑞利散射公式的簡要推導(dǎo)過程：根據(jù)電磁理論，光可以被視為一種電磁波，其電場和磁場在空間中交替變化。光遇到顆粒時，電場會與顆粒的電子產(chǎn)生相互作用，使電子在顆粒表面產(chǎn)生振動。由于電子的振動，顆粒本身也會產(chǎn)生振蕩，從而散射光。這種散射是由于光與物質(zhì)的相互作用引起的，而不是由于顆粒的反射。根據(jù)量子力學(xué)，光的能量是一份一份的，稱為光子。光子與顆粒相互作用時，發(fā)生能量交換。由于顆粒的大小遠小于光的波長，光子只能將部分能量傳遞給顆粒，而其余能量則以散射的形式釋放到各個方向。瑞利散射公式基于上述原理推導(dǎo)得出?？捎靡韵鹿剑? （15）作初步的解釋。3.2.1電偶極輻射平均能流公式推導(dǎo)一個簡單電偶極子系統(tǒng)輻射場： （16） （17）取球坐標原點在電荷分布區(qū)內(nèi)，方向為極軸，沿緯線上振蕩，沿經(jīng)線振蕩，如圖5所示（圖片來源于圖書[22]）：圖5電荷分布區(qū) （18） （19）已知電磁波能流密度平均值為： （20）綜合上述，可求得電偶極輻射的平均能流密度為： （21）3.2.2坡印廷矢量的平均值公式推導(dǎo)在入射光電矢量的作用下，物質(zhì)中原子、離子、分子中的電荷做受迫振動[24]。將實際物質(zhì)的分子用一組簡諧振子來代替。用電偶極子代表每一振子。電偶極子向周圍輻射的電磁波的矢量關(guān)系用球坐標表示[24]，如圖6（圖片來源于圖書[27]）：圖6電偶極輻射電偶極子的電矩矢量沿著軸，沿任一方向（極角為）的波的電矢量沿著經(jīng)線，磁矢量沿著緯線，各處的波都是線偏振的。設(shè),,式中為電子電荷量的值，為電子離開原點的距離，為電子振動的圓頻率，設(shè)正電荷靜止在坐標原點，則電偶極子所輻射的電磁波的電矢量和磁矢量的值分別為： （22） （23）由此可知，光在半徑為的球面上各點的相位都相等（球面波），且相位較原點處落后，但振幅隨角而變，這就引起波的強度(能流密度）在同一波面上的不均勻分布，如圖7所示：圖7波的強度與間的關(guān)系坡印廷矢量的絕對值為 （24）在介質(zhì)中， （25）因為 , （26）故 （27）坡印廷矢量在真空中的平均值等于 （28）表示觀察者離偶極子的距離。通過實驗驗證和測量不同條件下的散射系數(shù)和散射截面，可以進一步驗證和改進瑞利散射公式。需要注意的是，瑞利散射公式是在一定假設(shè)條件下推導(dǎo)得出的，因此在實際應(yīng)用中可能存在一定的局限性。例如，當(dāng)顆粒大小接近光的波長時，米氏散射公式可能更為適用。3.3米氏散射公式的推導(dǎo)米氏散射公式的推導(dǎo)是基于光的電磁理論和量子力學(xué)的基本原理進行的。以下是米氏散射公式的簡要推導(dǎo)過程：假設(shè)大氣中散射的顆粒具有一定的形狀和大小，且其尺寸與光的波長相近。當(dāng)光遇到顆粒時，其電場與顆粒的電子相互作用，導(dǎo)致電子在顆粒內(nèi)部產(chǎn)生振動。這種振動會導(dǎo)致顆粒整體產(chǎn)生散射。與瑞利散射不同，米氏散射中，顆粒的形狀和大小對散射光的強度和方向有顯著影響。這是因為顆粒尺寸與波長相近，光的散射不再是各向同性的。推導(dǎo)米氏散射公式的過程，需要考慮顆粒的形狀和大小對散射截面的影響。對于不同形狀的顆粒，需要采用相應(yīng)的散射截面計算方法。通過實驗驗證和測量不同條件下的散射系數(shù)和散射截面，如圖8（圖片來源于圖書[25]），可以進一步驗證和改進米氏散射公式。 （29）為無因次粒徑參量，為顆粒周圍分散介質(zhì)折射率，為顆粒直徑，為光的頻率，為光速。隨著的增加，散射光強呈現(xiàn)前向集中[25]。圖8折射率的不同粒徑顆粒散射光強矢極圖需要注意的是，米氏散射公式也存在一定的局限性，例如當(dāng)顆粒大小遠大于波長時，該公式可能不再適用。此外，實際大氣中的顆粒形狀和大小分布可能較為復(fù)雜，因此在實際應(yīng)用中需要根據(jù)具體情況選擇合適的散射模型。3.4晴朗天空呈藍色的原因及公式推導(dǎo)陽光照射下高層大氣大部分分子離解為單個原子。原子簡單經(jīng)典模型：原子核為帶電量為的點電荷，周圍均勻分布帶電量為且半徑為的電子云。電子云中心在無外電場時和原子核重合，在陽光（電場：）作用下和原子核形成電偶極子。陽光被散射，天空呈藍色。將電子云看作一種固有頻率為的諧振子，質(zhì)量為，在作用下位移為（），略去阻尼項的運動公式為： （30）解得： （31）原子的電偶極矩： （32）電偶極矩振動產(chǎn)生的輻射的總功率： （33）由 （34）上式等號右邊為電子云和原子核相互吸引力。距中心處的電場強度為： ， （35）電子云和電子核相互作用力： （36）可得 （37）設(shè)電子質(zhì)量全來源于電子云自有能量（靜電能），則電子云內(nèi)電勢為： ， （38）電子云自有能量： （39）聯(lián)系愛因斯坦質(zhì)能關(guān)系式： （40）得半徑： (40)可算得固有頻率為： （41）已知可見光頻率，則故可近似為： (42)結(jié)果表明高層大氣對陽光的散射功率和陽光頻率的四次方成正比?？梢姽夥秶鷥?nèi)，陽光中各種頻率的光的強度相差不大。波長短（即頻率高）的光的強度更大。所以散射光中藍光占優(yōu)勢，晴朗天空呈藍色。4分子散射在光學(xué)性質(zhì)完全均勻的物質(zhì)中，光的散射作用本不應(yīng)該發(fā)生，但即使除去氣體或液體中所有塵埃和其他懸浮微粒，也還可以觀察到散射光[26]。這是物質(zhì)分子密度的漲落引起的。密度的漲落取決于分子的無規(guī)則運動(有統(tǒng)計的意義)，這種散射稱為分子散射[26]。4.1大氣散射晴朗天空呈淺藍色是因為大氣的散射[16]。大氣散射一部分來自懸浮的塵埃，大部分則是密度漲落引起的分子散射，后者的尺度比前者小得多，瑞利定律作用更明顯，波長較短的藍光比黃光和紅光散射得更強，散射光中藍光占優(yōu)勢[16,26,27]。圖9散射引起的天色和日色清晨或傍晚，太陽光幾乎平行地平面,穿過的大氣層最厚，如圖9所示（圖片來源于圖書[28])。波長較短的藍光、黃光等幾乎都朝側(cè)向散射，剩下波長較長的紅光到達觀察者，此時太陽呈紅色，但天空仍是淺藍色[28,29]。4.2布朗運動理論植物學(xué)家布朗在1827年首先發(fā)現(xiàn)布朗運動。德耳索在1877年指出布朗運動本質(zhì)是顆粒受到介質(zhì)分子碰撞不平衡[31]。直到20世紀初，愛因斯坦、斯莫盧霍夫斯基和朗之萬等發(fā)表理論，皮蘭完成實驗工作，才清楚地解釋了布朗運動[31]。布朗顆粒直徑的典型大小為，是微小的宏觀顆粒。任一時刻,一個顆粒受到介質(zhì)分子從各方面的碰撞作用力通常是互不平衡的[32]。分子運動的無規(guī)性使施加在顆粒上的靜作用力漲落不定。力的方向和大小都不斷發(fā)生變化，顆粒不停地進行無規(guī)則運動[30,31,32]。4.3非均勻介質(zhì)中散射的經(jīng)典圖像均勻物質(zhì)中散布著與其折射率不同的其他物質(zhì)的大量微?；蛭镔|(zhì)本身的組成部分(粒子)的不規(guī)則的聚集都可能造成光學(xué)性質(zhì)的不均勻[15]。如塵埃、煙、霧、懸浮液、乳狀液、毛玻璃等雜質(zhì)微粒的線度一般比光的波長小,彼此間距離比波長大,且毫無規(guī)則地排列，在光作用下的振動沒有固定的相位關(guān)系[15]。在任何觀察點看到的總是次級輻射的不相干疊加,各處不會相消,形成散射光[5,6,7,8,15]。4.4大氣電離層瑞利散射現(xiàn)象僅存在微小顆粒中，空氣分子直徑大、稀疏，造成瑞利散射現(xiàn)象并不強烈，而且反射出的是接近綠光的藍色，并不是空氣中最大的反射源。真正的反射源頭是離子，是極高空的大氣電離層的空氣離子化，但瑞利本人生活的時代根本不知道。瑞利散射雖曾解釋了天空為何呈藍色，但僅為理論原因。根本原因是氣體分子電離化，大量做高速布朗運動的圓球形或不規(guī)則形狀的顆粒，造成很密集的“瑞利散射光線”（動態(tài)散射現(xiàn)象）。4.5背景因素大氣層散射比較微弱的，但作為背景的宇宙十分黑暗，我們才能看到藍色的散射光線。這就是看天空是藍色的，而看地面上周圍的空氣卻不是藍色的原因。宇航員在太空幾乎看不到藍天，因為地球表面的反射要強烈很多，他們感覺不到藍光線，但能感覺到大氣層邊緣的藍色，同樣由于地面的強烈反差，大氣層散射的藍光，他們感覺不是很明顯。從太空中看到的地球表面的藍色，是由于地面上水的反射光線。4.6不同天氣下的藍色表現(xiàn)在晴朗的天空下，由于大氣較為純凈，光線散射作用明顯，太陽位于天頂時，波長較短的藍光被散射以上，天空呈現(xiàn)出鮮明的藍色[24]。而在陰雨天或霧霾天，大氣中水分或污染物的影響，散射作用減弱，天空的藍色可能相對較淡?？罩写嬖陟F或薄云時，水滴的直徑比可見光波長更大，選擇性散射不再存在，不同波長的光都被折射，天空顯得白茫茫[34]。米氏散射對多云潮濕天氣影響較大。當(dāng)空氣中有較大的水滴或者云霧時，發(fā)生的是米氏散射，使得天空呈現(xiàn)出灰色，并且當(dāng)水滴比較大的時候還會吸收光。米氏散射通常導(dǎo)致天空呈現(xiàn)陰藍色或灰色。5科技中的應(yīng)用“天空呈藍色”的物理模型在許多科技領(lǐng)域中都有著重要的應(yīng)用。例如，可以用于研究大氣光學(xué)、攝影等領(lǐng)域。云由大氣中半徑與可見光的波長相比相差不大的小水滴組成。引起的光散射屬于米氏散射。米氏散射是人工降雨的基礎(chǔ)，在大氣光學(xué)中占重要地位。此外，深入研究散射光的性質(zhì)，能測定微粒的大小和運動速率等，獲得渾濁介質(zhì)、膠體溶液和高分子物質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)，還可以測定激光在大氣中的散射來測量大氣中懸浮微粒的密度及特性，確定大氣污染情況。利用遙感技術(shù)，分析衛(wèi)星拍攝的照片中藍色的分布和變化，可以判斷出地球表面的氣候變化和環(huán)境污染狀況。差分光學(xué)吸收光譜系統(tǒng)和激光雷達系統(tǒng)用于環(huán)境污染監(jiān)測。6總結(jié)天空呈藍色主要與光的散射、大氣層的特性、藍色光譜的反射以及人類視覺感知等方面有關(guān)。這些因素共同作用，使我們在地球上看到的天空呈現(xiàn)出美麗的藍色。我們抬頭所能見的天空本身并沒有顏色，在我們的眼中，它呈現(xiàn)藍色是因為空氣中的分子、微粒會讓陽光在四周散射。太陽光是一種連續(xù)光譜，包含多種顏色的光。在陽光通過大氣層的過程中，大氣中的氣體分子和微小顆粒對不同波長的光線具有不同的吸收和反射特性。瑞利散射表明短波長的光更容易被散射。晴朗天空的顏色就是瑞利散射導(dǎo)致的。氣體分子、塵埃、水分子的顆粒尺寸較小。藍光比黃光和紅光波長短，散射光中波長較短的藍光占優(yōu)勢，天空呈藍色。雖然紫光的波長比藍光更短，散射更強，但一方面空氣分子對紫光的吸收更強，人眼觀測的陽光中紫光部分較少；另一方面由于人眼和大腦構(gòu)造，人是三色視覺，紅、綠、藍錐體同時接收陽光，藍錐體受藍光刺激較強，聯(lián)合結(jié)果為藍色[2,3]。當(dāng)陽光進入我們的眼睛時，我們看到的主要是藍色光[3]。人眼對顏色的感知還受到對比度、亮度等因素的影響，這些因素共同決定了我們看到的天空的藍色程度。但是總的來說，由于瑞利散射和藍色光的波長特性，通常認為天空為藍色。但天空并不總是呈藍色。當(dāng)陰雨天氣來臨，云層增多，陽光抵達厚厚的云層會遭到反射。大氣散射主要包括瑞利散射和米氏散射。米氏散射則主要發(fā)生在較大顆粒的情況下。米氏散射對多云潮濕天氣的影響較大。當(dāng)空氣中有較大的水滴或者云霧時，發(fā)生的是米氏散射，使得天空呈現(xiàn)出灰色，并且當(dāng)水滴比較大的時候還會吸收光。米氏散射通常導(dǎo)致天空呈現(xiàn)陰暗的藍色或灰色?！疤炜粘仕{色”的物理模型在許多科技領(lǐng)域中都有著重要的應(yīng)用。例如，可以用于研究大氣光學(xué)、攝影等領(lǐng)域。米氏散射是人工降雨的基礎(chǔ)，在大氣光學(xué)中占重要地位。利用遙感技術(shù)中，分析衛(wèi)星拍攝的照片中藍色的分布和變化，可以判斷出地球表面的氣候變化和環(huán)境污染狀況。差分光學(xué)吸收光譜系統(tǒng)和激光雷達系統(tǒng)用于環(huán)境污染監(jiān)測。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，未來對于模型的研究將更加深入。例如，如何利用模型更好地理解和預(yù)測氣候變化、如何改進技提度等。此外，隨著環(huán)境污染的日益嚴重，如何通過模型來研究大氣污染物的擴散和傳輸機制也將成為未來的研究重點。參考文獻[1]馬里奧.伊.莫利納:天空為什么是藍色的[J].孩子,2003,(7）.[2]莊著向.天空為什么是藍色的?[J].今日科苑,2006.[3]莊著向.天空為什么是藍色的?[J].中國科技教育,2004,(5):3.[4]毛建西.大氣污染與天空色彩[J].現(xiàn)代物理知識,1998,(5).[5]姚啟鈞.光學(xué)教程[M].北京:高等教育出版社,2019[6]姚啟鈞,華東師大光學(xué)教材編寫組.光學(xué)教程[M].北京:高等教育出版社,2014[7]宣桂鑫.光學(xué)[M].上海:華東師范大學(xué)出版社,1988[8]趙秀琴，梁貴生.光學(xué)[M].太原:山西科學(xué)技術(shù)出版社,2007[9]海德拉.為啥天空是藍色的[J].新農(nóng)村,2023,(05):40.[10]海德拉為啥天空是藍色的[N].北京青年報,2023-04-10.[11]游秀芬.天空為什么是藍色的[J