科技改變生活 · 科技引領(lǐng)未來
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綠水青山，藍(lán)天白云，色彩使這個(gè)世界更加美麗。人眼有感知色彩的能力，因此能夠欣賞到這色彩繽紛的世界。天空通常是藍(lán)色的，云通常是白色的，那么它們?yōu)槭裁词沁@種顏色呢？為什么天空不能是綠色的，云不能是藍(lán)色的？
不管是湛藍(lán)色的天空，還是潔白的云朵，或者是美麗的彩霞，它們都是發(fā)生于大氣層中的光學(xué)現(xiàn)象，陽光、大氣和云一起交織出一幅美麗的畫卷。
人們是靠眼睛發(fā)現(xiàn)世界之美的。當(dāng)外界的光線投射到眼睛中的視網(wǎng)膜上，人類才能觀察到這個(gè)世界。除了發(fā)光物體，不發(fā)光的物體能夠反射光線，所以才能被我們看見。
人眼視網(wǎng)膜內(nèi)存在兩種類型的感光細(xì)胞：視錐細(xì)胞和視桿細(xì)胞。視細(xì)胞能夠?qū)⒐鈱W(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，人腦中掌管視覺的區(qū)域接收到這種電信號(hào)，便能在大腦中生成看見的景象。人眼視網(wǎng)膜中大約包含1.2億個(gè)視桿細(xì)胞，它主要負(fù)責(zé)分辨明暗程度及動(dòng)態(tài)信息；人眼視網(wǎng)膜中大約有700萬個(gè)視錐細(xì)胞，它主要負(fù)責(zé)感知顏色和強(qiáng)光。研究表明，人眼有三種視錐細(xì)胞，能夠辨識(shí)紅綠藍(lán)這三種顏色。至于紅綠藍(lán)之外的顏色，這些色光的頻率能夠引起兩種及以上的視錐細(xì)胞產(chǎn)生不同程度的刺激，于是便在腦中形成了不同的色覺。
如果眼睛中沒有感知顏色的細(xì)胞，看到的世界就是黑白的。由于基因缺陷，一些人天生色盲，色盲眼中的世界會(huì)缺失某一種顏色，全色盲患者只能看到黑白世界。而對(duì)于某些具有4種視錐細(xì)胞的動(dòng)物來說，它們眼中世界的色彩更加豐富，能感知到人眼感知不到的細(xì)節(jié)。
光本質(zhì)上是電磁波，且具有粒子和波的雙重屬性。光在傳播過程中，因?yàn)榻橘|(zhì)影響，會(huì)發(fā)生反射、折射、散射等現(xiàn)象。人眼能夠看到的光的波長大約在400~760納米之間，稱作可見光。雖然人眼中的感光細(xì)胞理論上能夠識(shí)別1600萬種顏色，但我們?nèi)酥荒苊鞔_分辨出上百種顏色。
下圖為不同色光對(duì)應(yīng)的波長。
在17世紀(jì)，偉大的物理學(xué)家牛頓對(duì)光進(jìn)行了深入的研究。牛頓研究太陽光時(shí)發(fā)現(xiàn)，太陽光穿過三棱鏡后會(huì)形成光譜，這表明陽光（可見光）是由多種單色光組成的復(fù)合光（白光）。暴雨過后，空氣中會(huì)懸浮著小水滴，這些小水滴就相當(dāng)于三棱鏡，可以將陽光分解成七色光。雨過天晴后不久，當(dāng)適當(dāng)高度的空中懸浮著較多的小水滴時(shí)，從地面上的特定角度就能看見彩虹。陽光通過三棱鏡后會(huì)發(fā)生色散，是因?yàn)椴煌l率的光的折射率不同。在可見光中，紅光頻率低，折射率小；紫光頻率高，折射率大。
不同顏色的光對(duì)應(yīng)著不同的頻率。理論上來講，自然界中存在無限多種顏色。其實(shí)，光本質(zhì)上并不存在顏色這個(gè)特征，色光之間的差異只是頻率不同罷了，我們是以人眼所感知到的頻率為基準(zhǔn)劃分色光的。
顏色包含色相、明度和飽和度（純度）三個(gè)要素。色相用來區(qū)別不同的顏色，由射入人眼的光線的光譜決定，不同的物體擁有不同的光譜特征，單色光的色相完全取決于光的頻率。明度表示顏色的明暗程度，由光線的強(qiáng)弱決定，明度的變化通常會(huì)影響到顏色的純度。純度表示顏色的深淺，或者說鮮艷程度，與光譜中單色光的占比有關(guān)。當(dāng)飽和度為0，就成為黑白色了。
物體的顏色取決于光源和物體這兩者。
不同的光源具有不同的光譜，自然界中最常見的光源就是太陽光了，太陽光是由多種色光混合而成的，從大氣層外看起來是白色的。當(dāng)光照射到物體上時(shí)，會(huì)被物體吸收、反射和透射（包括散射和折射）。
上圖清晰的表示了反射、折射、散射三者之間的區(qū)別。
反射發(fā)生于物體的表面或兩種介質(zhì)的分界面，分為鏡面反射和漫反射，客觀世界中幾乎都是漫反射。
自然界中的物體幾乎都能夠反光，物體的顏色就由該物體所反射的色光決定。不同物體具有不同的特性，會(huì)選擇性的吸收或者反射色光，我們通常將物體在陽光下看到的顏色稱之為物體的固有色。一個(gè)紅色的物體，就是因?yàn)樗鼛缀踔荒芊瓷浼t光，其余的色光都被該物體吸收了。幾乎能夠反射所有色光的物體看起來是白色的，幾乎能夠吸收所有色光的物體看起來是黑色的。如果一束紅光照射到綠葉上面，由于綠葉只能反射綠光，那么它看起來就是黑色的。
光在透明或者半透明的介質(zhì)中傳播時(shí)，屬于透射。在這個(gè)過程中，光與媒介物的粒子發(fā)生碰撞，光的傳播路徑會(huì)發(fā)生改變。如果介質(zhì)是均勻的，則會(huì)發(fā)生折射；如果介質(zhì)不均勻，則會(huì)發(fā)生散射。從微觀角度來看，散射可以看做是光被無數(shù)微粒反射到四面八方。
上圖展示了光在散射過程中的傳播路徑。
透明與不透明是相對(duì)的。當(dāng)光穿過的介質(zhì)很薄時(shí)，只有一小部分光會(huì)被吸收，一些不透明的物體也會(huì)變得透明。比如，在手電筒照射下，一本書是不透明的，而書中的一頁紙卻是透明的。對(duì)于那些透明的物體，它們的顏色則由其所能透過的色光決定。
在白天，人能夠看見這個(gè)世界，是因?yàn)榇嬖陉柟狻Ｌ湛帐幨幍模瑳]有什么可以反光的物體，因此看上去一片黑暗，只能看見一些發(fā)光或者反光的天體。
陽光照射到地球表面，使我們感受到溫暖，促進(jìn)萬物生長。陽光在到達(dá)地面之前，會(huì)先穿過大氣層和云層。
人們生活在地球表面，地球表面被1000多公里厚的大氣層籠罩著，大氣具有很好的透光性，是一種混合物，主要由78%的氮?dú)夂?1%的氧氣構(gòu)成，并且在重力的作用下，海拔越高，密度越低。云是由水蒸氣冷卻后形成的小水滴和小冰晶形成的，懸浮在上千米的高空中，介于半透明狀態(tài)。這兩種介質(zhì)都是不均勻的，必然會(huì)發(fā)生散射現(xiàn)象。
天空的顏色與瑞利散射有關(guān)。大氣分子的直徑小于1納米，可見光的波長在400納米以上，當(dāng)透明物質(zhì)粒子的尺度小于光波長的1/10時(shí)，陽光在穿過大氣時(shí)就會(huì)發(fā)生瑞利散射（又叫做分子散射）。瑞利散射的散射強(qiáng)度與波長的4次方成反比，即光的波長越短，散射越強(qiáng)。
太陽光屬于復(fù)合光，可以分解為紅橙黃綠藍(lán)靛紫7種色光，其中紫光的波長最短。在大氣分子的作用下，波長較短的光被更多地散射至整個(gè)天空，紫色光和靛色光在高空中被率先散射，地面上的人很難看到，并且人眼對(duì)波長較短的藍(lán)光更加敏感，所以整個(gè)天空看起來就是藍(lán)色的。如果沒有散射，天空將一片黑暗，比如月球上的天空。海水為什么是藍(lán)的，也與瑞利散射有一定的關(guān)系。
如果沒有大氣的干擾，太陽看起來是白色的。當(dāng)太陽斜射，陽光要穿過更厚、密度更大的大氣，波長較短的光大多被散射了，陽光到達(dá)人眼時(shí)，紅光占比最大，所以早上或者傍晚時(shí)分看到的太陽偏紅。紅色的指示燈在大霧里更容易被人看見，也是這個(gè)原理。
云的顏色與米氏散射有關(guān)。當(dāng)微粒的直徑與波長相當(dāng)時(shí)，就會(huì)發(fā)米氏散射，散射強(qiáng)度與光波長的二次方成反比。相對(duì)于瑞利散射，米氏散射的強(qiáng)度要弱很多。云層本身比較薄，當(dāng)陽光穿過云層時(shí)，各種色光的散射強(qiáng)度相差不大，所以云看起來就是白色的。當(dāng)云層較厚時(shí)，陽光幾乎不能照射下來，云便呈現(xiàn)出灰色。
下圖為微粒尺寸與散射強(qiáng)度的關(guān)系。
總結(jié)起來，天空的顏色與瑞利散射有關(guān)，而云的顏色主要與米氏散射有關(guān)。至于彩云的形成，則是兩者共同的作用。彩色的云霞一般出現(xiàn)于晴朗的清晨或傍晚，早晨的被稱之為朝霞，傍晚的被稱之為晚霞或火燒云。
馬原