了解地球的色彩奧妙,為何天空、海水是藍的?

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近年霧霾污染加上台灣氣候潮濕多雲,導致天空時常不見藍天,一出現藍天往往讓人心情愉悅,不想上班。但凝視藍天時,可能很少人想過為何天空是藍的?原來是因為瑞利散射。

白光是由不同波長組成,人眼含有能夠檢測波長在 380~700 奈米間的電磁輻射細胞,在這個波段內,不同波長對應我們在彩虹上看到的不同顏色。當來自太陽的白光到達地球時,會撞擊組成大氣的氣體分子,這些分子主要是氮和氧,比可見光譜中的光波長小,因此會散射光線。

17 世紀牛頓的棱鏡實驗發現 7 種不同顏色的光譜,紅、橙、黃、綠、藍、靛藍和紫色,紫光光線會以更短、更緊密的波傳播。短波受大氣分子影響的程度,大於紅色較長、較低頻率的波,叫做瑞利散射,這個現像是以 19 世紀發現的英國物理學家瑞利爵士來命名。

天空呈藍色,因為較短波長比大波長被大氣分子散射的程度更高,所以當看著天空,到達人類眼睛的散射光主要是藍色。但古時候也有人認為是青色、如紫羅蘭混合綠色等其他顏色的酒黑色,但基本上就是指波長較短的藍光。

至於海水為何是藍的,因為水分子較能吸收波長較長的光線,即紅色、橙色、黃色和綠色,留下波長較短的藍色,由於藍光不太可能被吸收,它可以穿透到更深的深度,使深水看起來更藍。因此純淨的水是無色的,但如果水夠深,光線無法反射離開海底,則會呈現深藍色。

短波長的光也更容易在不同方向散射或偏轉,包括從水面轉向人類的眼睛,使海面呈現藍色。但是,海水純度各不相同,懸浮在其中的顆粒會增加光的散射,從河流攜帶進入海洋的沙子和淤泥,或被海浪和風浪從海底踢起,都會影響沿岸水域的顏色。而有機碎屑如腐爛的植物物質也可能增加綠色、黃色或褐色,使海水顏色多變。

研究海水顏色是基於物理學,但科學家更看重生物學,因為對海洋顏色影響最大的是微生物,即浮游植物。這些單細胞藻類通常比針頭小,使用綠色的葉綠素色素來捕捉太陽能,將水和二氧化碳轉化為構成其身體的有機化合物,透過這種光合作用,人類需要的氧氣大約一半從這邊產生。

浮游植物可以迅速繁殖,以應對環境變化,如溫度變化和營養水準突然變化,浮游植物的數量可在一天內成長一倍。浮游植物吸收可見光譜的紅色和藍色部分電磁輻射,但反射綠色,因此海洋有時候會看起來綠綠的。浮游植物種群和分佈變化,及成長或減少的速度,可為科學家提供有關環境變化的早期預警。

1997 年 NASA 科學家發射一顆安裝感測器儀器的衛星來測量水中可見光強度,從海洋的顏色變化來了解浮游植物的分布。由於大部分陽光通過空氣微粒散落到海面,剩下的就是吸收或分散在水中,但是約有 10% 是從水中反射到大氣,並有可能朝著衛星的方向反射,因此衛星感測器可收集綠色或藍色光譜中的比例,電腦演算法再使用這個數據估計海中有多少葉綠素,或發現不同類型的浮游生物。

不過,科學家認為,要採集到有意義的數據,至少要 40 年,所以得等到 2038 年才能真正知道海洋的顏色是否發生變化,由此推斷全球暖化是否正在影響浮游植物的數量,繼而對全球碳循環造成影響。
NASA:國家航空暨太空總署(英語:National Aeronautics and Space Administration,縮寫:NASA)是美國聯邦政府的一個行政機構,負責制定、實施美國的民用太空計劃、與開展航空科學暨太空科學的研究。 ...更多
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