2025年高考物理天空顏色與大氣污染

　　天空顏色與大氣污染

　　自然界中絢麗多彩的晚霞和日出東方時(shí)的壯麗景象是任何一位藝術(shù)家都難以描繪的。但是很少有人知道，我們目睹的大部分顏色是污染造成的。城市的落日和空氣清新的鄉(xiāng)村落日是不同的。

　　在非常潔凈、未受污染的大氣中，落日的顏色特點(diǎn)鮮明。太陽(yáng)是燦爛的黃色，同時(shí)鄰近的天空呈現(xiàn)出橙色和黃色。當(dāng)落日緩緩地消失在地平線下面時(shí)，天空的顏色逐漸從橙色變?yōu)樗{(lán)色。即使太陽(yáng)消失以后，貼近地平線的云層仍會(huì)繼續(xù)反射著太陽(yáng)的光芒。因?yàn)樘炜盏乃{(lán)色和云層反射的紅色太陽(yáng)光融合在一起，所以較高天空中的薄云呈現(xiàn)出紅紫色。幾分鐘后，天空充滿了淡淡的藍(lán)色，它的顏色逐漸加深，向高空延展。但在一個(gè)高度工業(yè)化的區(qū)域，當(dāng)污染物以微粒的形式懸浮在空中時(shí)，天空的顏色就截然不同了。圓圓的太陽(yáng)呈現(xiàn)出桔紅色，同時(shí)天空一片暗紅。紅色明暗的不同反映著污染物的厚度。有時(shí)落日以后，兩邊的天空出現(xiàn)兩道寬寬的顏色，地平線附近是暗紅色的，而它的上方是暗藍(lán)色。當(dāng)污染格外嚴(yán)重時(shí)，太陽(yáng)看上去就像一只暗紅色的圓盤。甚至在它達(dá)到地平線之前，它的顏色就會(huì)逐漸褪去。

　　為什么在潔凈的空氣中太陽(yáng)呈現(xiàn)出黃色，同時(shí)天空呈現(xiàn)出藍(lán)色呢?在19世紀(jì)末期，英國(guó)物理學(xué)家瑞利在1871年首先對(duì)此作出了解釋。在地球表面的人是透過(guò)經(jīng)空氣散射的太陽(yáng)光來(lái)看天空的。在潔凈的、未受污染的大氣中，大部分的散射是空氣中的分子(主要是氧和氮分子)引起的，這些分子的大小比可見光的波長(zhǎng)要小得多。瑞利理論指出，散射光強(qiáng)和波長(zhǎng)的四次方成反比(Ｉ∝１／λ４)，在這種情況下，散射主要影響波長(zhǎng)較短的光。因?yàn)樗{(lán)色位于光譜的后面，所以天空本身呈現(xiàn)出藍(lán)色。太陽(yáng)光直接穿透空氣，在散射過(guò)程中它失去許多藍(lán)色，所以太陽(yáng)本身呈現(xiàn)出燦爛的黃色。

　　根據(jù)瑞利的理論，當(dāng)光波波長(zhǎng)減少時(shí)，散射的程度急劇加強(qiáng)。所以光波波長(zhǎng)最短的紫色光應(yīng)該散射最強(qiáng)，靛青、藍(lán)色和綠色的光散射要少得多。那么為什么我們看見的是藍(lán)天，而不是紫色和靛色的天空呢?原來(lái)當(dāng)散射光穿過(guò)空氣時(shí)，吸收使它喪失了許多能量，波長(zhǎng)很短的紫光和靛光雖然在穿過(guò)空氣時(shí)，散射很強(qiáng)烈，但同時(shí)它們也被空氣強(qiáng)烈地吸收，陽(yáng)光到達(dá)地面時(shí)，所剩的紫色和靛色的散射并不多。我們所目睹的天空顏色是光譜中藍(lán)色附近顏色的混合色，它們呈現(xiàn)出來(lái)的就是蔚藍(lán)天空的顏色。

　　除了散射外，太陽(yáng)光還被空氣中的臭氧分子和水蒸氣所吸收。因?yàn)榭諝鈱由⑸浜臀�收的共同作用，最終到達(dá)地面的太陽(yáng)光消耗了許多能量。正因?yàn)樵绯亢桶�晚，太�?yáng)光經(jīng)過(guò)空氣的路程長(zhǎng)，能量損失過(guò)多，所以我們可以欣賞壯麗日出和美麗的日落景色。而在白天，陽(yáng)光在大氣中經(jīng)過(guò)的路程短，它的能量損失少，這時(shí)用肉眼直視太陽(yáng)會(huì)使人頭暈?zāi)垦＃�是很危險(xiǎn)的。

　　在太陽(yáng)剛剛落山前，你會(huì)看到太陽(yáng)圓盤的周圍有一圈燦爛的紅色光環(huán)。這個(gè)光環(huán)是太陽(yáng)光被遠(yuǎn)大于空氣分子的灰塵顆粒——通常它們是懸浮在地球附近空中的——折射的結(jié)果。這個(gè)光環(huán)看上去從太陽(yáng)圓盤的中心向外延伸了大約3倍。因?yàn)楣猸h(huán)延伸的角度取決于光波波長(zhǎng)和微粒的大小，所以估計(jì)折射的顆粒直徑大約為塵埃顆粒的大小。如果一陣大雨在落日前清洗了一遍空氣的話，在落日時(shí)通常就看不到這個(gè)光環(huán)。瑞利未能明確地解釋受污染的空氣問(wèn)題。雖然他的理論指出了光的散射強(qiáng)度將隨著散射顆粒的增大而急劇增強(qiáng)，但它只適用于比光波波長(zhǎng)小得多的微粒，對(duì)于直徑超過(guò)0.025毫米的顆粒（例如空氣分子）就不適用了。在當(dāng)今的工業(yè)社會(huì)，污染物通常是懸浮的微粒，它們由直徑從0.01到10毫米不等的微粒組成。瑞利的理論不能解釋這種情況。后來(lái)，戈什塔夫·米證明了大粒子的散射取決于粒子線度與波長(zhǎng)的比值，并于1908年提出了一個(gè)更為普遍的理論，它所覆蓋的顆粒大小范圍更大。這個(gè)理論指出，如果空氣中有足夠大的顆粒，它們將決定散射的情況。米氏的散射理論可以解釋我們看見的城市天空的景象，顆粒越大，散射越多，同時(shí)散射的效果取決于波長(zhǎng)。散射不僅在光譜的藍(lán)色區(qū)域強(qiáng)烈，而且在綠色到黃色部分也很強(qiáng)。

　　所以，穿過(guò)了受到很多污染的空氣層的太陽(yáng)光的強(qiáng)度削弱了許多，太陽(yáng)看上去更紅一些，它已經(jīng)失去它的藍(lán)色、黃色和綠色成分。除了散射外，像臭氧和水蒸汽還會(huì)額外地吸收光能。結(jié)果圓圓的太陽(yáng)呈現(xiàn)出黯淡、桔紅的顏色。那么在受污染的空氣中，天空本身的顏色又如何呢?懸浮在空中的污染物，時(shí)間一久便會(huì)聚集成層，較大的顆粒在地面附近形成了較濃密層。當(dāng)太陽(yáng)光穿透這些層時(shí)，它逐漸褪色，呈現(xiàn)出桔紅色。散射的光失去了大量波長(zhǎng)較短的光波，結(jié)果主要是紅光得以穿透。天空呈現(xiàn)出暗紅色；因?yàn)樯⑸涞募t光要穿過(guò)空氣層中較低的、愈來(lái)愈濃密的空氣，所以在地球表面附近紅色越來(lái)越濃。你所看到的落日的類型主要取決于你所處的地方。在地面上，落日的亮度和顏色取決于季節(jié)和當(dāng)?shù)孛刻斓拇髿鉅顩r。人在高處所看見的日出和日落的景色完全不同。有時(shí)日落后，站在平臺(tái)上的觀察者能看到貼近兩面地平線的一小部分空氣散射的陽(yáng)光。

　　日出時(shí)，在太陽(yáng)升起之前，散射的光便可以看見，而對(duì)于落日而言，天空的顏色取決于大氣狀況。日出之前天空中呈現(xiàn)的鮮艷的顏色，例如橙黃色、紫色和深藍(lán)色，表明東面的大氣相對(duì)而言沒(méi)受污染。一旦太陽(yáng)升起來(lái)，大部分天空變成了藍(lán)色，只有在貼近地面的部分呈現(xiàn)出一段狹窄的橙色和黃色。

　　傍晚的天空能揭示出大氣受污染的情況。天然的“污染”也會(huì)影響天空顏色，尤其是火山噴發(fā)出的大量的灰塵、熱氣體和水蒸汽進(jìn)入大氣時(shí)。灰塵的顆粒和其他一些微粒最終在離地面15千米到20千米之間的地方聚集成層。這個(gè)空氣層散射太陽(yáng)光的效果格外明顯，絢麗多彩，太陽(yáng)呈現(xiàn)出藍(lán)色或綠色，尤其是在黃昏時(shí)分，火山噴發(fā)幾年之后還能看到這種景象。

　　這些引人入勝的景色并不能彌補(bǔ)污染的危害，無(wú)論污染是天然的還是人為的。但至少污染物顆粒通過(guò)絢麗多彩的天空顏色的微妙變化顯示了它們的存在。城市日落一旦出現(xiàn)暗紅色，那便是對(duì)我們的警告。我們應(yīng)當(dāng)禁止污染物排入大氣，只有這樣，才能保證我們的子孫后代能夠繼續(xù)欣賞到明朗的天空。

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