110年统计热力学熵解释天空蓝色理论质疑

包月英 开小明

摘 要：介紹了丁铎尔散射模型，瑞利散射理论和爱因斯坦熵统计热力学理论，解释天空蓝色的历史。前两种理论存在不足，爱因斯坦理论也只是附和了上述两种理论，依照他们的理论天空应该如月球是无色的。他们的理论搞错了引起天空蓝色的散射光来源，作者认为，是地表的光线散射到大气，然后瑞利散射到地表，所以看到天空为蓝色，因此110年爱因斯坦天空蓝色理论受到质疑，还说明了因衍射而使火星和沙尘暴时天空为蓝色。

关键词：天空蓝色; 丁铎尔散射; 瑞利散射; 爱因斯坦; 熵; 平行光; 火星; 沙尘暴

中图分类号：P401，P402            文献标识码：A    文章编号：1006-3315（2020）10-154-001

可见光波长从750-400nm，其颜色依次为：红、橙、黄、绿、青、青蓝、蓝、紫八种颜色，肉眼对红色最敏感，对紫色不太敏感。光学在光纤通信、微电子技术和军事上都有非常重要的应用。

天空为什么是蓝色的？大小权威的教育和科学网站标准答案：“空气中会有许多微小的尘埃、水滴、冰晶等物质，当太阳光通过空气时，波长较短的蓝、紫、靛等色光，很容易被悬浮在空气中的微粒阻挡，从而使光线散射向四方，使天空呈现出蔚蓝色。”在一些文献和媒体上权威专家也是类似如此解释的[1-5]。这个“天蓝”解释，只是十九世纪中叶的水平，它是英国物理学家丁铎尔（John Tyndall）首创的，常称作丁铎尔散射模型。人们认为它没有完全解释“天蓝”的原因。如果天蓝主要是由水滴冰晶等微粒的散射引起的，那么，天空的颜色及深浅，就应随着空气湿度的变化而变化。因为当湿度变化时，空气中水滴冰晶的数目会明显变化。潮湿地区和沙漠地区的湿度差别很大，实际天空差不多是一样的蓝，丁铎尔散射模型解释不了。到十九世纪末，丁的天蓝解释已被质疑。

1880年代，瑞利（John Rayleigh）注意到，根本不必求助尘埃、水滴、冰晶等空气中的微粒，空气本身的氧和氮等分子对阳光就有散射，而且也是蓝色光容易被散射。所以，气体分子的散射就可以作为“天蓝”的主因。然而，各个分子有散射，不等于空气整体会有蓝色。如果纯净的空气是极均匀的，分子再多也没有“天蓝”。就像一块极平的镜子，只有折射或反射，而极少散射。在均匀一致的环境中，不同分子的散射相互抵消了，这由瑞利散射公式得到说明[6]。太阳光射向地球是平行光，据此瑞利散射的结果，天空是无色的。1899年，瑞利写了另一篇文章“论天空蓝色之起源”，似乎也不完美。

1910年，人们认为爱因斯坦最终解决了这个问题。爱因斯坦用当时刚刚发展的熵统计热力学理论证明：那怕最纯净的空气，也是有涨落起伏的。空气本身的密度涨落也能散射，自然是波长短光容易被散射，蓝色能被肉眼看见，我们看到是蓝天。如果空气是理想气体，爱因斯坦的结果就同瑞利的一样。所以，简单地说，天空蓝色之起因是：“空气中有不可消除的‘杂质，即空气自身的涨落。密度涨落等对阳光的散射，形成了蓝天。”“天蓝”物理学的一个重要应用，是光纤通讯，高锟先生获得物理诺贝尔奖的项目[7]。

作者认为，人们不能完美解释天蓝理论原因，是忽略了一个问题：太阳辐射通过大气层后，到达地面的太阳辐射能量比大气上界小得多，在可见光谱区减少至40%[8]。瑞利散射的散射强度与波长的4次方成反比，即光的波长越短，散射越强。透射到地表的可见光，散射到大气层，遇到氮、氧气体分子，以及各种粒子，依瑞利散射原理，优先将短波长光散射到地表，我们看到天空是蓝色（紫色光肉眼不敏感）。天空蓝色深浅，与背景光强度有关，你在草原、沙漠、青藏高原看到天空蓝色稍有不同。

没有月光的城市夜空，城市灯光经天空散射后，天空的颜色也是蓝色的。太阳光散射到外太空，从外太空看地球是蔚蓝色。日出和日落时，由于地表水蒸气和其他尘埃影响，面对太阳，波长短的蓝色光被散射，看到的是红色透过光的红太阳，但一转背，可看见光因各种粒子瑞利散射，天空呈蓝色。

天空为蓝色的解释应改为：当透射到地表的可见光散射到大气层时，波长较短的蓝、紫色光等，很容易被空气中氮、氧气体分子，以及许多微小的尘埃、水滴、冰晶等物质阻挡，从而使光线散射向地表，天空呈现出蔚蓝色。如此看来，到2020年已110年天蓝理论受到质疑。

至于火星和沙尘暴时天空为什么看到是蓝色[5]？沙尘微粒可类似于非晶体中的原子，光线照射时会发生衍射，微粒间距小，只有波长短的蓝光最易衍射，通过沙尘暴层，所以看到天空为蓝色。

参考文献：

[1]科学探索家.你知道天空为什么是蓝的吗2019-06-18[2020-7-28]

[2]Ethan Siegel.萌大统领编译.你真的知道天空以及我们的地球，为啥都是蓝的吗？2017-09-28[2020-7-28]

[3]晓童美术课堂.地球的天空为什么是蓝色的2020-04-20[2020-07-28]

[4]张新荣.清华大学仪器分析教学录像——拉曼光谱法（一）p37.2019-08-28[2020-7-28]

[5]CCTV-1综合频道.火星上的落日是什么颜色.2017-11-05[2020-7-28]

[6]李锦瑜，曾道刚.瑞利散射公式讨论[J].大学化学，1992，7（1）：58-60+57

[7]罗百竹.“天为什么是蓝色的”一百年.2014-06-11[2020-7-28]

[8]刘冰川.太阳辐射.科普中国·科学百科，2019-08-12[2020-7-28]