当光遇上了微粒天空的颜色

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1、當光遇上了微粒─天空的顏色篇名當光遇上了微粒—天空的顏色作者呂珮玲。慈濟大學附屬高級中學。高二大愛班1PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwww.pdffactory.com當光遇上了微粒─天空的顏色壹●前言躺在綠油油的草地上，仰望這湛藍的天空，啊！真美。不過……奇怪了？為什麼我們看到的晴空是藍的？清晨、傍晚所看到的天空又是橘黃或橙紅的呢？這個大家早習以為常的自然現象引發了我的興趣。我們都知道太陽光是白光，由美麗的七彩光混合而成的。這紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫，七種美妙的顏色，如何讓天空這麼

2、詭譎多變？而其成因又是如何呢？以下本文會先介紹光的性質與整個天空的顏色的成因和理論以及其他影響的因素，再來利用一個小小的實驗模擬天空顏色的形成機制，最後延伸到空氣污染對天空的顏色的影響，並期許我們能更珍惜這個我們所居住的美麗星球─地球。貳●正文首先，我們都知道上述的現象和光有著極大的關係，所以我們就先來簡單的介紹一下「光」！光可分為可見光與不可見光，所謂「可見光」(即人眼可見之光)的-9波長範圍在400奈米（1奈米=1nm=10公尺）到700奈米之間，其中又以紅光波長最長(700奈米左右)，紫光波長最短(400奈米左右)。超過此波長

3、範圍的光即「不可見光」，波長大於700奈米者稱為紅外光，小於400奈米者稱為紫外光。「紅」、「綠」、「藍」為光的三原色，由這三種光可以組合成許多不同的顏色(圖1-1)，圖中央的白光(即平日我們所說的太陽光)就是這三原色的結合，其實利用三稜鏡色散的原理我們也可以知道白光是由各種不同顏色的光所組成的一種混合光。每一種色光進入相同介質中的偏折角度也都有所不同，這就是光進入三稜鏡會色散的原因。而光的組成跟天空的顏色又有什麼樣的關係呢？圖1-1其實天空所顯示的顏色的整個機制和「雷理散射RayleighScattering」《﹝註一，雷理散射的

4、內容是，若天空中微粒的粒徑在可見光的波長(紫光約為400奈米到紅光約為700奈米)的十分之一以下的時候，在某個散射角被散射的光強度比與波長的四次方成反比》，有著很大的關係，當光進入大氣時，波長較短的光(如前面介紹的藍光、紫光)經空氣分子後較容易散射且它散射後產生的偏折角度較2PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversionwww.pdffactory.com當光遇上了微粒─天空的顏色大，波長較長的紅光、黃光的較不易散射且散射偏折角度也較小，請看圖2-2，這邊有個簡單的示意圖。外圈為大氣層，內圈為地球，我

5、們的太陽白光由右方射入。當白光從右方射入時，經過了大氣層，那些較容易散射且散射偏折角度較大的紫光、藍光先被散射出來。那麼你一定會問說：「為什麼我們只見到藍光，而不見紫光呢？」那是因為紫光相對於藍光的強度較小，且人眼對紫光的靈敏度也較低(圖2-1)，所以我們就只看到藍光了！圖2-1(註二)圖2-2中的a點也就是所謂的白天時，可以看到藍色的天空就是這樣的原理。而且在上頁光的三原色圖(圖1-1)中可以知道當白光缺少藍光時所呈現的互補色是黃色，這就解答了為什麼我們看到的太陽是黃色的，(圖中b點)圖2-23PDFcreatedwithpdfF

6、actoryProtrialversionwww.pdffactory.com當光遇上了微粒─天空的顏色接著下來，我們看到上圖的右邊。因為波長較長的紅光、黃光的散射偏折角度較小所以在一開始經較短路程的大氣時以些微的偏折角度(看似一條直線)的前進，不過隨著多次的散射過後，總偏折角也越來越大，或者經過了反射後，就在傍晚黃昏時，這些已散射掉藍光的剩餘光線進入了我們的眼睛，就形成了我們平時所看到美麗的橘紅色天空(圖中b點)，清晨的天空有時也會像這一樣，這個也和傍晚時的天空原理是一樣的。而且當你傍晚直視太陽所發出的光線，已通過了很長的一段大氣

7、，藍光早就散射完了，想當然，進入你眼睛的光線就只剩波長較長的紅光，所以你在傍晚看到的太陽也是紅色的。大氣中還有一些其他影響天空顏色的因子，例如：塵粒、雲霧等等，也都會影響著我們的天空。要說明這個之前，先讓我們來看看「雷理散射RayleighScattering」的數學公式吧！222222Iqr9pN0Væçn1-n0ö÷2R==(1+cosq)。qI2l4çn2-2n2÷è10øθ為散射角(即圖2-1中的偏折角)，R稱為溶液在θ散射角處的雷理比，r為散射q距離，I指散射角為θ散射距離為r時的散射光強度，I是入射光強度，N為單q0位體

8、積中散射質點數，V是質點的體積，n為分散相的折射率，n是介質的折射10率，λ為入射光的波長。(註三)如果特別把V(質點體積)和λ(光的波長)的這個部分拿出來看，可以解釋先前所說的「波長較短的藍紫光較容易散射，而波長較長的紅黃光較不容易