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第2章 天空为什么是蓝色的?

颜色与光的秘密

光是由一些叫做光子的微小粒子能量所构成的,它们的移动速度非常快,在真空中可以达到每秒18万6千英里。任何东西都无法超过光的速度。

光虽然属于粒子,但它同时也是一种波,并且有各种不同的波长。我们的肉眼只能看见特定范围之内的波长——也就是那些可见光(比如我们看到的阳光、灯光等)。但是像伽马射线、X光和紫外线这些光,由于它们的光子能量太强(或者波长太短),我们的肉眼是看不见的。同样的道理,红外线、微波和电波的光子因为能量太弱(或者波长太长),肉眼也没法看到。

可见光具有各种不同的颜色。拿白色的光来说,就是由不同的颜色所组成的。我们可以把一个棱镜放在一束明亮的白光里面,这时光线就会被分解,显现出组成它的颜色。首先可以看到的是波长较长的红色,接着是桔色、黄色、绿色、蓝色,最后是可见光中波长最短的紫色。这时我们再拿一面三棱镜去照射彩虹色,将其上下颠倒放置,又可以使这些不同的颜色重新组成白光。

有时候,看起来最简单的问题却最难回答。多年以来,对于“天空为什么是蓝色的”这个问题,科学家们给出了许多种解释。其中,最好的答案是100多年前,一位名叫劳德·约翰·瑞雷格的英国科学家作出的。

白天,照射在空中的阳光是白色的——那么,这时候的天空看起来本应该是耀眼的白色,对吧?其实,光在穿过大气层的时候,一定是发生了什么变化,才让天空看上去是蓝色的。

白色的光其实是由多种颜色组成的,我们可以利用棱镜来观察这种现象。棱镜能够折射出各种不同的颜色:红色、桔色、黄色、绿色、蓝色和紫色。这些颜色组合在一起,就形成了我们看到的白色。

白色的阳光是由各种颜色混合而成,有些东西能把其中的颜色分离出来。

那么,光中的蓝色就盖过了其他颜色,显现出来了。

为什么会这样呢?

环绕在地球周围的大气是由氮气、氧气、氩气以及其他气体,再加上水蒸汽和冰状晶体组成的。当然其中还包括灰尘、化学污染物和臭氧层。水和臭氧都具有吸收红光,让蓝光通过的倾向。于是科学家们想到,也许就是这个原因,让天空看上去是蓝色的。

事实证明,仅靠水和臭氧吸收红光的话,是不能让天空看上去呈现蓝色的。

1869年,英国物理学家约翰·提汤提出,空气中的灰尘和其他物质可以分散光,而其中蓝色体现得最为明显。

为了证明自己的观点,他制造了一些烟雾,然后让一束白光从中穿过。通过观察可以发现,烟雾呈现出了深蓝色。

提汤由此判断出,如果天空中充满着完全纯净的空气的话,那么白光穿过时将不被分解。纯净的空气会让天空看上去也是纯白色的。

最初,瑞雷格也同意这一观点,但很快就改变了看法。到了1899年,他公布了自己的论点:让天空看起来呈现蓝色的是空气本身,而并不是灰尘或者烟雾。

事实是这样的:大气层中的气体分子之间会有一些空白,当太阳光通过这些空间到达地面时,会保持最初的形态。但如果阳光直接穿过了气体分子,比如氧气,就会被吸收,从而被分解成不同的形式。

气体分子中的原子在被吸收的光激活后,发出各种波长的可见光子,从红色到紫罗兰色,它们会分布在分子的各个方向,前面、后面和周围。因此,有些光会直接到达地面,有些散播在空中,还有一部分则返回太阳上。

瑞雷格发现到:光所呈现的亮度取决于其颜色。蓝光中含有八种光子,其中每一种都能在红色中显现出来。所以,蓝光能在通过大气层时,发射出比红光强八倍的亮度。

结果,我们就看到了耀眼亮的蓝光,它们分别来自天空的各个方向和庞大的大气层。其实天空并不是“纯净”的蓝色,因为同时还有其他颜色也进入了我们的视线。但是由于它们非常暗淡,完全被很亮、很亮的蓝光给遮掩了。

叶子的绿颜色来自于叶绿素——一种在植物细胞中发现的色素。(色素是一种可以吸收光的物质。)叶绿素通过吸收阳光为植物提供养分。但是一到秋天,树叶开始失去它们绿油油的颜色。杨树的叶子会变黄,枫叶则染上了红色。这些颜色的转变说明,叶子中产生了化学变化。也就是说,在叶绿素身上发生了一些事情。

夏去秋至,每棵树都开始为冬天的到来作准备。营养物质开始慢慢从树叶中流失,储存到树枝、树干和树根等部位,因为面对即将到来的严寒,这样做会相对安全一些。到了春天,树木就通过吸收这些养分,长出新的叶子。

当养分离开叶子的时候,新的叶绿素就不再产生了。叶子中那些剩余的叶绿素逐渐分解。这时,其他色素就显现出来了。在有些树木中,会出现黄色和桔色的色素。(这其中包括胡萝卜素,它让胡萝卜呈现桔红色。)所以,白桦和山核桃树的叶子就随着叶绿素的流失,变成了黄色。

还有些树的叶子会变成各种美丽的深浅不同的红色。深红、酒红和一些紫红色的树叶是由一种叫做花青素的色素创造出来的。这些色素同样作用于小红萝卜、紫甘蓝菜、玫瑰和天竺葵。

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