上海光机所
科学大院
2019-02-15
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#追光逐梦
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上期“追光逐梦”专栏中，我们向大家介绍了“汽车里的光学”。其实，光学的秘密当然不止藏在人类科技进步的产物中，在神奇的大自然中也处处包含着光学的知识。每每当我们仰望天空的时候，我们能从中汲取哪些光学知识呢？
“层崖翠接尉蓝天”，天为什么是蓝色的呢？云为什么是白色的呢？夕阳为什么是红色的呢?·····这些都与光学知识有关呢~
天为什么是蓝色的呢？那是因为在晴朗的天气中，大气层主要成分为氮气和氧气。它们的分子尺度远小于可见光波长，所以在阳光穿过大气层时，会发生瑞利散射现象。所以天空中，我们见到的光都是散射光。太阳光主要集中在500nm左右，正好是蓝光和绿光的交界处。蓝光的波长短，散射光的强度就更大。所以晴朗的天空看起来就是蓝色的了。
旭日和夕阳也是瑞利散射，可为什么都是红色呢？日出日落的时候，太阳几乎在我们视线的正前方。比起白天的其他时间，太阳光在大气中要走更长的路。所以我们能看到的直射光中，波长较短的蓝光大部分都被散射了，只剩下波长更长红橙色的光。
“岭上白云朝未散”又是什么原理呢？当大气中含有大颗粒杂质时，对阳光的散射主要是米氏散射。这时散射光的强度和波长没有什么关系，各个波长的光几乎都是均匀散射，所以我们看到的云是白色的。
“天蓝云白夕阳红”的秘密都解开啦~细心的朋友会留意到，当晚霞出现的时候，太阳会透过云彩形成一道道光柱，这又是为什么呢？我们来用实验说话。我们准备了四个烧杯，第一杯是清水，第二杯是饱和蔗糖溶液，第三杯是稀释的淀粉溶液，第四杯是浓一点的淀粉溶液。用手电照射，会发现第二个和第三个烧杯能看到一条很亮的光通路，第一个和第四个就看不到了。
究其原因，是因为不同溶液中分子大小不同，水分子是最小的，其次是蔗糖分子，淀粉分子最大。我们看到的光通路同样也是散射光。但在这个时候，散射光的强度就跟微粒大小有关了，微粒越小，散射光就越弱。所以手电照射到清水中就几乎看不到散射光。蔗糖分子比水分子大多了，散射光也比清水强多了，所以我们看到了一条光通路。
而淀粉分子又比砂糖分子大得多，散射光最强，光所到之处，只要有一点淀粉分子就足够把光散射掉，所以我们也能看到一条通路。如果是在暗室，淀粉溶液产生的光通路会更加明显。可是为什么第四个烧杯中的淀粉溶液就看不到光通路呢？这是因为淀粉溶液太浓，光就被散射得太厉害，所光没走多远就完全发散了。所以类比过来，云就像淀粉溶液，太阳光透过云的时候，光被云中的大颗粒介质散射，就有了我们看到的光柱。
大自然拥有万般神奇的奥秘等待着我们去发现，同时也给我们的生活带来现实意义的启发。比如夕阳的红色告诉我们红光的透射率强。所以为了防止在大雾天气下司机看不清信号灯而发生事故，警示灯都是红色的。
知识虽小，意义重大！只有真正的了解大自然，才能更好的利用它，我们的生活也才能变得更好！
（未完待续）
下集预告：医院中的光学
作者单位：中国科学院上海光学精密机械研究所
鸣谢：中国科学院科学传播局、上海市科学技术委员会、上海市科学技术协会、上海市嘉定区科学技术委员会
专栏介绍：
光学，物理学的重要分支，仅21世纪以来，就有六次诺贝尔物理学奖与光学有关，比如2018年的诺奖就颁给了光镊和激光放大技术。
“高冷”的诺奖很精彩，身边中的光学一样大有学问哦：微波炉、手机、汽车……都离不开光学相助！
科学大院联合中科院上海光机所推出“追光逐梦”系列专栏，不仅带您一起探索身边的科学，还会带您走入高精尖的前沿光学科技殿堂！