为什么海水是蓝色的(为什么地球上的天空和海洋是蓝色的)

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为什么海水是蓝色的(为什么地球上的天空和海洋是蓝色的)不是因为它们相互反射,而是因为两个完全不同的原因。如果你对你生活的世界感到好奇,你可能会想为什么天空是蓝色的。人们经常会回答错误的原因:太阳是蓝色的,氧气是一种蓝色的气体,天空反射着大海的颜色。虽然每个答案都是错的,但最后一个答案会导致错误

为什么海水是蓝色的(为什么地球上的天空和海洋是蓝色的)并不是因为它们相互反射,而是因为它们是蓝色的两个完全不同的原因。

如果你对你生活的世界感到好奇,你可能会想为什么天空是蓝色的。人们经常回答错误的原因有:

太阳是蓝色的

氧气是一种蓝色气体

天空反射出大海的颜色

虽然每一个答案都是错的,但最后一个答案引出了一个人们经常怀疑的相关问题:为什么海洋是蓝色的?

从太空看,地球总是被描述成一个淡蓝色的点。然而,只有海洋以不同的色调显示这种蓝色。大陆、云和冰原一点也不蓝。是海洋而不是大气赋予了地球如此的肤色。

几千年来,人们被迫简单地接受世界的这些属性作为事实。但是随着现代科学的发展,我们明白了它们为什么是蓝色的原因。

插图:当太阳在头顶时,面向天顶的天空是较暗的蓝色,而面向地平线的天空是较浅较亮的青色。这是由大气中可见的大量散射光和低角度造成的。(karst en KETTERMAN/PIXabay)

与你之前读到的相反,天空是蓝色的没有单一的原因。天空不会变蓝,因为太阳发出蓝光。我们的太阳发出不同波长的光,加起来是白色的。氧气本身不是蓝色的,而是无色透明的。然而,大气中有许多分子和更大的粒子,以不同的量散射不同波长的光。海洋对天空的颜色没有影响,我们眼睛的敏感度是绝对的:我们不能直接看到现实,而是通过感官感知,通过大脑解释。

这三个因素——太阳的光线、地球大气的散射效应和人眼的反应——使天空变蓝。

插图:棱镜散射连续光束动画图。如果你有一双可以看到紫外线和红外线的眼睛,你可以看到紫外线比紫色/蓝色光线弯曲得更多,而红外线比红色光线弯曲得更少。(LUCASVB/WIKIMEDIA C best net OMONS)

当我们通过棱镜传输阳光时,我们可以看到它是如何被分成不同的部分的。最高能量的光也是最短波长(和高频)的光,而较低能量的光比其较高能量的光具有更长的波长(和低频)。光的色散是因为波长是决定光与物质相互作用的关键属性。

微波炉中的大孔允许短波长可见光进出,但保持较长波长的微波光进入并反射。太阳镜上的薄涂层反射紫外线、紫外线和蓝光,但允许更长波长的绿色、黄色、橙色和红色通过。构成我们大气的微小不可见粒子——氮、氧、水、二氧化碳和氩原子等分子——散射所有波长的光,但优先散射更蓝和更短波长的光。

说明:瑞利散射对蓝光的影响大于红光,可见光波长中紫光最分散。只是因为我们眼睛的敏感度,天空是蓝色的而不是紫色的。波长最长、波长最短的可见光经历瑞利散射,呈现整整一个数量级的差异。

这背后有一个物理原因:构成我们大气层的所有分子都比人眼能看到的各种波长的光小。更接近分子大小的波长将被更有效地散射;就数量而言,它遵循的定律叫做瑞利散射。

可见光范围内的紫光比另一端红色长波长光的散射频率高9倍。这就是为什么在日出、日落和月食期间,红光仍然可以有效地穿过大气层,但波长更长的光实际上并不存在,它优先被散射掉。

说明:如图所示,部分乳白色物质与大气具有相似的瑞利散射特性。从右上角照亮这块石头的白光,石头本身会散射蓝光,但允许橙色/红色光先通过而不会被阻挡。

因为更蓝的光更容易散射,任何直射的阳光都会变得越来越红,穿过它的大气也会变得更红。然而,天空的其余部分将被间接的阳光照亮:光线照射到大气中,再次被你的眼睛看到。大多数光的波长是蓝色的,这就是为什么白天天空是蓝色的。

直到有足够的大气将蓝光散射到你的眼睛,它只会呈现出更红的色调。如果太阳在地平线以下,所有的光都必须穿过大量的大气层。更蓝的光向各个方向散射,而更红的光不太容易散射,这意味着它需要更直接的路径才能到达你的眼睛。如果你曾经在日落后或日出前坐过飞机,你可以看到这壮观的景象。

说明:在高空,日出前或日落后的天空中可以看到一系列的颜色,这是由大气对太阳光的多次散射造成的。来自地平线的直射光变得很大,散射光离太阳很远时才呈蓝色。

这也许可以解释为什么日落、日出和日食是红色的,但它可能会让你想知道为什么天空是蓝色的而不是紫色的。事实上,来自大气的紫光比蓝光多,但也有其他颜色混合在一起。因为你的眼睛里有三种类型的视锥细胞(用来检测颜色)和单色视锥细胞,当你想要分辨颜色的时候,这四种视锥细胞的信号需要你的大脑去解读。

每种类型的锥体细胞和杆状细胞都对不同波长的光敏感,但所有这些细胞都在一定程度上受到天空的刺激。我们的眼睛对蓝色、青色和绿色光的反应比对紫色光的反应更强烈。即使有更多的紫光,也不足以抑制我们大脑提供的强蓝色信号,这就是为什么天空在我们眼中呈现蓝色。

插图:人类第一次看到地球从月球边缘升起。用人类的眼睛从太空中发现地球仍然是人类历史上最具象征意义的成就之一。1968年12月的阿波罗8号是成功登月的重要开创性任务之一,今年7月将迎来登月50周年。请注意,地球的蓝色是由于海洋,而不是大气。(美国宇航局)

另一方面,海洋是完全不同的东西。如果你从空间上看整个星球,你会注意到我们拥有的水体并不是均匀的蓝色,而是根据水深的不同而不同。较深的水域呈深蓝色;浅水是浅蓝色的。

如果你仔细观察下面的照片,你会注意到靠近大陆的水域(沿着大陆架)比深蓝色更浅、更绿。

说明:地球的海洋是蓝色的,但是沿着大陆架,它们看起来比海洋中最深的蓝色要浅。这不是图像构建方式造成的误差,而是真实的现象,详细描述了不同深度的海洋对太阳光吸收和反射的差异。(美国航天局/莫迪斯/蓝色大理石项目)

如果你想要更直接的证据证明海洋本身看起来是蓝色的,你可以尝试潜水并记录你所看到的。当我们在自然光下——即没有任何人工光源的情况下——拍摄水下照片时,我们可以立即看到一切都是蓝色的。

当我们越潜越深,达到30米、100米、200米的深度时,一切都会呈现蓝色。和大气一样,水是由有限大小的分子组成的:波长比我们能看到的任何光都小是有意义的。但是在这里,在海洋深处,散射的物理性质有些不同。

插图:如果你潜入一个水体,只让自然光照亮你周围的环境,你会发现一切都是蓝色的,因为红光是第一个被完全吸收的光。

当光穿过大气层时,大气层的主要功能是散射。当光通过水时,水主要吸收(或不吸收)光。像所有分子一样,水对它能吸收的波长有偏好。水没有直接的波长依赖性,但最容易吸收红外线、紫外线和红色可见光。

这意味着,如果你潜水到中等深度,你将感受不到太阳的温度,你将免受紫外线辐射。随着红灯被带走,事物将开始变蓝。再往下一点,橘子就会消失。

插图:在更深的深度,当海水被来自上方的自然阳光照射时,不仅红色,橙色和黄色也开始消失。即使是绿色也会被吸收,只留下微弱的蓝光。(FLICKR的丹尼斯·贾维斯)

再往前,黄色、绿色和紫色开始被吸收。当我们再下潜几公里时,即使是蓝光也会消失,尽管这将是最后一次。

这就是为什么最深的海洋是深蓝色的:所有其他波长都被吸收了。最深的蓝色在水中所有波长的光中是独一无二的,它被反巴克斯特网击中并重新发射的可能性最大。目前,地球的全球平均反照率为0.30,这意味着30%的入射光被反射回太空。但是如果地(原创www.isoyu.com版权)球是深海,我们的反照率只有0.11。海洋其实很适合吸收阳光!

插图:2001年和2002年的MODIS数据得到的两个半球的全球复合材料。请注意,是我们的海洋,只有我们的海洋,让我们的星球从太空中看起来是蓝色的。(美国宇航局)

如果是因为反射,天空和海洋就不会呈现蓝色;他们都是蓝色的,但都是因为自己的原因。如果你把我们的海洋完全带走,人们仍然可以看到地面上的蓝天。如果你试图带走我们的天空(但仍然以某种方式在表面提供液态水),我们的星球仍然是蓝色的。

天空中,蓝光散射得更快,阳光从云层的缝隙直射到我们身上;在海洋中,波长较长的可见光更容易被吸收,所以光照射得越深,蓝光就逐渐显现得越深。其他行星也可能有蓝色的大气层,比如天王星和海王星。但是地球是我们知道的唯一一个有蓝色表面的行星。也许有一天,当我们发现另一颗表面也覆盖着大量液态水的行星时,我们将不再孤单!