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关于秋日天高的对话 精选

已有 5834 次阅读 2012-10-29 07:27 |个人分类:科学与生活|系统分类:科普集锦|关键词:学者| 太阳, 秋季, 空气, 颗粒, 天高

老李:嘿!老文。散步呢!

老文:是,老李!你也走走?一起走吧。

老李:我看你抬头看什么呢?

老文:我看这天多么蓝哪,一丝云也没有,真个是“碧天万里无云”。时间真快,前些天,走路找树阴,生怕树阴不够密。这才几天,走路找太阳地,嫌树叶挡阳光了。

老李:时间过得太快,岁月不饶人啊。我们还是多享受一点阳光的好。

老文:今天太阳特别好,空气也好。我们走在阳光下,特别明亮,而树阴下又显得格外昏暗。你看那边的松树林,黑乎乎的,就是个黑松林。

老李:怕有强人出没了吧?

老文:笑话啦。哎,你是学理科的,你说说,为什么秋天的天显得特别高,阳光下与树阴处的亮度相差为什么这样大?

老李:那你先说,你为什么能够看见东西?

老文:那还用问,小学生都知道。如果物体自己发光,发出的光,射到人们的眼睛里,人们就看着它了。如果自己不发光,有光照到它,它把光线反射到人们眼里,也就见着了。

老李:对啊。你现在看见的是天。天是什么?

老文:是什么?

老李:你看见的是大气

老文:空气不是看不见的吗?

老李:你听我说完。现在,我们俩说话,你看得见我呼出来的气吗?

老文: 看不见。

老李: 到冬天天冷的时候就看见了。那时候,呼出的气中间的水蒸气凝结成较大的颗粒。光是一种波,我们看得见的光,它的波长为几百纳米,单个水分子的大小是十几个纳米。光遇到单个水分子,绝大多数都绕过去了,这称为衍射。就像我们俩讲话,中间隔一棵树,树挡不住音波,你讲话我可以听得很清楚。但是,如果我俩之间隔一间很小的房子,你的声音我还是能够听到一点,声波有一部分仍然能够衍射过来,但是,有相当一部分被反射到四面八方,还有一些则被房子吸收了。如果我们中间相隔一栋大楼,那你的声音就传不过来了。同样道理,单个水分子挡不住光线,所以看上去透明,我们看不见他们。如果若干个水分子凝成一团,反射掉的光线就多了。如果反射的光线多到我们眼睛的感光细胞能够感受到,我们就看得见这些水汽了。

老文:哦,你说的道理是我们能够看得见天上的云彩。

老李:对了。地球的周围是大气层,如果,没有大气层,我们看到的天是黑色的,黑色的天上镶嵌着明亮的星星,就像在看宇航员太空行走的电视转播中所看到的那样。现在我们看到的天的颜色,实际上是大气层中的分子和其他微粒反射到我们眼睛里的光线的颜色。大气层中除了空气之外,还有各种大小不同的微小颗粒。

老文:这我知道,前些日子大家就很关心PM10PM2.5什么的。

老李:略大的颗粒比如PM10中的大多数颗粒离地面很近,较小的PM2.5就能够飞得稍稍略高一点,但是,对于整个大气层而言,他们仍然在非常接近地面的地方。更小的颗粒,包括更小得多的水蒸气,也主要存在于距离地面20公里之内的对流层中。对流层往上,是空气更为稀薄也更为洁净的平流层。当太阳光射入时,总是要遇到空气分子(当然,主要是氮气和氧气分子)以及悬浮在大气中的极其微小的颗粒。白色的太阳光并不是单一波长的,是我们通常说七色光,其中紫色、蓝色一端的光波长略短,红光的波长较长。遇到这些极小的微粒和分子,太阳光中间波长较长的红光容易绕过去。继续前进。而紫色、蓝色的光则因为波长较短(对于较短的波长,障碍物相对而言就显得大了),绕过微粒的量就比较少一点,向四方散射的就略多一点。

老文:遇到比微粒更小的分子也一样散射吗?

老李:也散射。分子中电子的激发频率通常在紫外,但是激发态之间相互跃迁的频率会在可见光范围内。紫色、蓝色光等波长较短的光更接近与这些电子跃迁的频率。所以,紫光、蓝光可以被高空的分子吸收并迅速向任意方向放出。这个过程就叫做散射。而红光则比较不易被分子吸收,通常会绕过分子仍然朝着原来的方向前进。这样,我们所看到的天空是大气中分子和微粒散射出来的波长较短的蓝色。

老文:为什么不是紫色的?紫光波长更短啊。

老李:那是我们眼睛的问题,人类眼睛对紫光的敏感程度较差。

老文:紫光、蓝光散射了,剩下的光线不就发红了?为什么阳光仍然的白色的?

老李:在通常情况下,被散射的蓝光、紫光是少数,大多数仍然与红光一样绕过了空中的分子和微粒,所以阳光仍然是白色的,这样,我们看到的太阳是白色的。但是,如果阳光经过稠密的大气距离很长,散射掉的波长较短的光会增加,例如一早一晚,日出日落时,阳光就会发红,我们见到了红色的太阳。

老文:哦,原来如此。你告诉了我为什么天是蓝色的,可是你还是没有说清楚为什么秋天看上去天特别高啊。

老李:你太着急了,下面就说。刚才说了,在低空,有许多水汽和较大的尘埃,例如PM2.5…

老文:PM2.5还算大?

老李:大气污染物颗粒大小的单位是微米,例如PM2.5的直径是2.5微米。2.5微米就是2500个纳米,比起700纳米的红光波长,450的纳米蓝光波长,就大了许多。在这些微粒和聚起来的水汽团面前,可见光,不管是蓝色还是红色的,都不容易绕过,都会向四面八方反射,我们称之为漫反射。于是,就像刚才你说过的看见冬天呼出的气那样,我们看到了空中白色的云。

老文:云就是在低空了。如果,没有云,看上去天就高了。

老李:很对,很对。云层低,看上去就天低。万里无云,就只剩高天了。但是,这只是泛泛而说了天高。要说为什么秋天天高,还要说清楚以下三点:第一,我们中国东部的秋季,较少受到从印度洋吹来的暖湿气流影响,天气干燥,空中云雾较少。蒙古高原夏季有较好的植被,也少有风沙。这样,空中较为洁净,无云无尘,天空就蓝。第二,与夏天相比,太阳更为南倾。阳光需要在大气层穿越更长的距离才能够到达地面。这样,有更多的短波长光线被散射,天空显得更加蓝。第三,由于太阳南倾,让出了天顶附近,晴朗的天顶附近显得空旷无物,这给我们的印象就是天愈加高而远。这三个条件凑在一起,我们抬头望天,这才眼空无物,蓝色的天空高深而悠远。

老文:好,这样一说,我就明白了。

老李:也正因为天空中较少水汽和尘埃,射到地面的光线几乎都是从太阳方向而来的平行光线,缺少从云层、烟尘中漫反射来的杂乱无章的光线。这样,阳光下与树阴里的的照度反差就比较大。阳光下特别亮,树阴里特别暗。从树阴里走到阳光下,或者从阳光下走到树阴里,我们的眼睛会不能一下子适应,显得眼花缭乱。

老文:是这样,是这样。你都说清楚了。我这个科盲也差不多都听懂了。多谢!多谢!

老李:你还客气上了。我们俩在校园里也正好转了一圈,该回家啦。

老文:好,再见!

老李:再见!



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