天蓝的海水对吗,海水为什么比天空蓝

海和天为什么是蓝的?——水的散射│环球科学札记(25) 作者

作者/张志杰在我们的环球旅行中,我们很少遇到下雨的天气,尤其是在红海和地中海期间。天空万里无云,天蓝色明亮,没有一点杂质。海蓝如镜,闪耀着蓝宝石般的光影。

一些上了年纪或残疾的乘客喜欢坐在珍日八楼走廊的沙发上,看着舷窗外的碧海蓝天打发时间。我经常拿着笔记本电脑在八楼的走廊里写作,累了就看看外面海天一色的地平线。因为地球是圆的,地平线以一个很大的弧形消失在视线里。

为什么海天一色是蓝色的?这和散射有关。阳光照射到地球上,会遇到空气和悬浮在空气中的小水滴(云),使天空的颜色频繁变化。晴天时,打到地球上的光碰到空气中的氮或氧分子,就会引起散射。蓝光的波长比红光短,散射更剧烈。在我们眼里,天空变成了蓝色。

这个道理看似简单,但直到19世纪末,人类才明白这个道理。1873年,英国物理学家瑞利勋爵是第一个从天上看到东西的人。他的散射理论——瑞利散射让我们知道了天空的秘密。

瑞利图像图//维基百科。在阳光的七种颜色中,红、橙、黄的波长较长,蓝、靛、紫的波长较短。所谓波长,就是两个波之间的距离;波是物质振动最大的地方。例如,当我们把一块石头扔进水中时,它会引起涟漪。两个波纹之间的距离就是波长。当然,光波的波长比涟漪的波长小得多。红光的最长波长只有七八厘米,蓝光的最长波长只有四五厘米。

瑞利发现散射不会改变入射光的波长,只是改变入射光的方向。那么散射是如何造成天空中的各种颜色的呢?原始散射截面与散射粒子的尺寸和散射光的波长都有关。空气中的氧分子和氮分子刚好大到可以散射波长更短的蓝光。当蓝光一整天都在散射的时候,天空当然是蓝色的。

晚上太阳下山,阳光斜着打过来,离地面更近。地面的空气中含有较多的水分和尘埃,颗粒远大于氧分子和氮分子,因此更容易散射出波长较长的红光、橙光或黄光。绚丽的晚霞就是这样散开的。

如果天上飘着小水滴,也就是云,那就是另一番景象了。水滴比灰尘大得多,各种波长的彩色光都可以被它们散射。结果,云变成了白色。如果云层越来越厚,越来越密,阳光无法穿过,就变成灰色或黑色。白云苍狗只是太阳玩的一个把戏!

当云聚集成雨滴时,粒子甚至更大,大到像棱镜一样。如果在还在下雨的时候阳光灿烂,阳光穿过雨滴,就会形成我们看到的彩虹。彩虹也可以出现在喷泉和瀑布上,原理是一样的。在这次环球旅行中,我们看到了几次彩虹,印象最深刻的是复活节岛。在靠近大海的路边,突然出现了一道拱形的彩虹,距离我们目测不到50米。在彩虹下拍照就像在彩虹下一样!

当阳光照入水中,又是另一番景象。深水是蓝色的。本来水是透明无色的,水分子的大小可以让波长更长的红光绕过去,而波长更短的蓝光被散射,所以更深的水一定是蓝色的。水越深,蓝光被散射和反射的越多,看起来就越蓝。

也是水。为什么大海是蓝色的,浪花是白色的?为什么海浪拍打海岸,卷起成千上万堆雪?原因很简单。所谓的喷雾,其实就是一个小水滴,可以散射各种波长的光,所以喷雾就变成了白云一样的白色。

就像看天空一样,人类也是最近才真正懂得看海。印度物理学家钱德拉塞卡拉拉曼爵士乘船从印度来到英国。海对海的情况让他意识到海水和天空的颜色都是光散射造成的。1921年,拉曼在英国《自然》上发表了一篇论文,提出了他的散射理论,题目是《海的颜色》。古今中外,多少人“观沧海”,但只有拉曼有智慧看到别人看不到的东西。

拉曼图像。图//维基百科。

台湾省优秀女科学家系列访谈,不断更新!《她是科学家》特辑不断更新中。

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