太阳、地球和人的光谱故事

张武昌2025年11月15日星期六

光子和电子在原子内不能共存，电子发出的光子在原子内部被电子俘获，增加了电子的热动能，如果光子能量够大，就会把电子轨道跃迁，然后发出荧光，或者产生光电效应，把电子从原子中撞飞。如果光子能量够大，经过电子内部的能量消耗后，仍能飞出原子，就形成了康普顿散射。

物体透明还是不透明取决于光子的能量（或频率）和物质（厚度）的多少，同一物体对频率低的光是不透明的，对频率高的光则是透明的。如果增加厚度，任何物体都可以视为不透明的。我们日常所说的水、空气是透明的，语境是指在日常生活的尺度内是透明的，如果无限增加水和空气的厚度，最终会变为不透明。

太阳的内部和表层都发光，内部的光被太阳内的电子不停俘获，发射出太阳的概率很低。只有离表层很近的薄薄一层发出的光能飞出太阳，这一层称为光球层。人体也是一样，人体核心也在不停发射热辐射，但是热辐射的光子都被周围的原子俘获变为热动能，人们感到的是人体表层（人的光球层）发射的热辐射。

在大多数情况下，我们周围物体都是长波的热辐射，对于人眼属于不可见光，所以我们看到物体都是它们反射的可见光。对于太阳、白炽灯等光源，人类只能感知其轮廓(是否发光)和内部的光强差异造成的光斑（太阳黑子），很难感知其细致的纹理等结构。

星空为什么黑暗“奥尔伯斯悖论”

“如果宇宙中有无数恒星，它们在无限的时间里发光，那么夜空为什么不是像白天一样明亮？ 这个疑问就是著名的“奥尔伯斯悖论（或佯谬）”。德国天文学家海因里希·威廉·奥尔伯斯（Heinrich Wilhelm Olbers）在1823年首次提出这一悖论，其核心问题是：如果宇宙是静态的、无限的，并且恒星均匀分布，那么在夜空的每一个方向上都应该能看到恒星，因此夜空应该是明亮的，而不是黑暗的。

对于这一悖论，好像科学家没有给出统一的答案。悖论的一个合理解释是宇宙的年龄有限，可观测宇宙之外的许多遥远恒星的光尚未而且永远无法抵达地球。此外，宇宙的膨胀导致最遥远天体的光发生红移，进入人眼不可见的波长范围。

太阳入射光谱

来自宇宙的光分布在从无线电到伽马射线的各个波段上，到达地面的光辐射需要经过大气层的加工。下图所示地球大气对有些波段如长波无线电波、x射线和伽马射线是100%吸收的，而对无限电波则100%透明。可见光的大部分能透过大气来到地表。

阳光的能量谱为温度5700摄氏度的黑体辐射，可见光波段的能量最大。

进入大气层后，阳光收到大气组分的吸收和散射。

在吸收方面，臭氧、氧和水蒸气的吸收为主要贡献者。

散射

太阳光在大气中的散射有三种：瑞利散射、拉曼散射、米氏散射

瑞利散射和蓝天蓝海

在散射方面，瑞利散射Rayleigh scattering是主要贡献者。

天空和海洋的颜色是蓝色，是因为瑞利散射。1871年英国物理学家瑞利 (Rayleigh)首次提出关于分子散射的理论，得出散射光强与波长的4次方成反比的结论，称瑞利定律。散射光强按空间方向成哑铃形角分布。

太阳光通过大气时产生分子散射，而蓝光的波长比红光的短一半，按瑞利定律，蓝光被散射的程度为红光的16倍，因而天空呈蔚蓝色，海水是蓝色也是这个道理。

日出日落时，太阳光穿过较厚的大气层，被散射掉的蓝光比红光多得多，因而太阳呈红色。光线经过的大气较厚，地球下部的光瑞利散射较强，所以较红，上部则接近白色。

中午时，光线经过的大气较薄，瑞丽散射较弱，太阳呈现白色。

孔子东游，见两小儿辩斗，问其故。一儿曰：“我以日始出时去人近，而日中时远也。”一儿以日初出远，而日中时近也。一儿曰：“日初出大如车盖，及日中则如盘盂，此不为远者小而近者大乎？”一儿曰：“日初出沧沧凉凉，及其日中如探汤，此不为近者热而远者凉乎？”孔子不能决也。

两小儿辩日中日出时比日中时看上去大，原因有很多。第一，大概有日出时位于地平线，有近景房屋树木等作为参照，显得大些。第二，光渗现象，明亮物体在暗背景下轮廓出现外扩、发虚的错觉，使得物体看起来比实际更大更亮。波长较长的红光比蓝光的光渗效果更明显，所以日出日落太阳红色时看起来较大。

拉曼散射光谱线对称地分布在瑞利散射光谱线的两侧，但其强度比瑞利散射光弱得多，通常只为瑞利光强度的 10^-6 - 10^-9。由于拉曼散射非常弱，所以大气中的拉曼散射不明显。

蓝太阳

米氏散射（Mie scattering）是由德国物理学家Gustav Mie于1908年提出的物理现象，指大气中微粒（如烟、尘埃、小水滴及气溶胶）直径与光波长相当时发生的散射。其散射强度与频率平方成正比，散射在光线向前方向比向后方向更强,方向性比较明显。

气溶胶颗粒和沙尘粒径通常大于可见光波长，波长最接近这些颗粒的粒径的红橙光散射明显，导致肉眼看到的红光减少，所以太阳看上去略显蓝色，造成蓝色太阳的现象。

大气层的温度剖面

大气层中的带电粒子和高空大气能产生反应，产生了极光，加热了高空大气。

到了臭氧层，紫外线与氧气和臭氧作用，加热了这一层的大气。

在大气层底部，阳光加热了大地和海洋，大地表面向太空辐射比太阳光长的辐射，大地辐射被底层大气吸收，加热了底层大气，所以大气层的垂直温度剖面为三个峰值的结构。

地球出射光谱和全球变暖的原理

大气的不同成分对不同波段的吸收能力，二氧化碳对波长18微米的光有很强的吸收。因此二氧化碳浓度的增加后，对到达地面的入射阳光影响不大，地面吸收阳光后的升温变化不大。

但是地球的理论光谱的能量最大值位于波长18微米的波段，所以大气二氧化碳增加对出射光的吸收显著增加，造成大气升温，全球变暖。

人的视觉光谱 

 科学研究者实际去统计眼睛视锥细胞的数量，赫然发现人眼主要存在感知长波(L)或红色，中波(M)或绿色及短波(S)或蓝色等三种感光细胞，其相对可见光的敏感度如下图所示，绿红蓝这三种颜色的视锥细胞，数量分布比例竟为40:20:1。感知绿色的视锥细胞最多，其是感知红色的2倍，感知蓝色的40倍。

几种感光色素对不同波长光的灵敏度曲线。

常说“眼见为实”，眼睛看到的就是真的，但是对于光线来说，“眼见不一定为实”，因为眼睛看到的光线强度往往与实际进入眼睛的不一样。为了探究人眼对不同的光的感受差异，1918年美国照明工程学会（IES）针对数百位民众专门做了实验。把相同亮度的光，以不同的波长打到人的眼睛后，去统计不同波长光的人眼敏感反应，得到相对视见函数曲线。相对视见函数曲线，通常也被称为明视觉曲线，1924年国际影像协会（CIE）推荐这个函数为国际标准人眼视见函数。

从明视觉曲线的特征来看，人眼对不同波长光的感度不同。波长在555nm绿光处，明视觉曲线的感度最高，人眼对绿光是最敏感的，其次是红光，最不敏感的是蓝光。但是为什明视觉曲线表现出来是这样的，当时没有人能够解释得了。

现代人类防蓝光

人眼经过亿万年的演化，对太阳光的适应性最好，自然光中的蓝光是不会伤害眼睛的。但是电子产品的普及过快，制造的蓝光过多，人眼在短时间内根本来不及适应，而且最重要的一点是蓝光伤眼于无形，从而对眼睛造成严重的损伤。

人们经常说电子产品的蓝光很弱，不会伤害人的眼睛，这是真的吗？使用分光光谱仪测量一台手机屏幕的光谱，如下左图所示。

电子产品产生的蓝光，其焦点没有落在视网膜上，导致睫状肌需要长期紧绷往前拉，调节蓝光的焦点到视网膜上。近距离使用电子产品，为了调节视距，睫状肌又需要长期后拉。[9]长时间前后两股力量拉扯睫状肌，造成睫状肌发生痉挛，从而人眼盯着电子产品一段时间后出现视疲劳。现代人对电子产品非常依赖，使用时间不再是短短的四五个小时，每天十几小时已经成为生活常态。

眼睛每天十几小时盯着电子产品，时间累积下的蓝光能量，会加大蓝光的光毒性。[10]长时间蓝光照射视网膜会产生自由基，这些自由基会以更短的时间导致视网膜色素上皮细胞衰亡，从而导致感光细胞缺少养分引起视力损伤，同时还会通过提高视觉细胞对光的敏感度和光氧化反应导致细胞死亡而损害视力。在有氧的条件下，蓝光刺激视网膜启动光氧化机制，形成严重的氧化反应，破坏机体正常的氧化还原动态平衡，启动细胞凋亡机制，从而导致细胞的死亡和损伤。从而致使眼睛出现各种问题，视力模糊、近视度数加深，患上青光眼、干眼症，提前年龄性特殊眼病白内障和黄斑病变的时间。

植物为什么是绿色

高中课本说“植物的绿色是因为叶绿素主要吸收蓝紫光和红光，剩下的绿光反射进我们的眼睛。”

那能够吸收所有颜色的光的黑色植物，显然可以更高效地进行光合作用啊！

更奇怪的是，太阳光里恰恰是绿光强度最高，植物却放弃了这部分能量，难道绿色植物真的是上帝跟人类开的一个玩笑吗？

2016年，著名学术期刊science发表了一篇论文，观点是说绿色的能量太强，不利于光合作用系统的稳定。

专门收集绿光下的峰值能量可能效率很高，但这对植物是有害的，因为当阳光闪烁时，来自输入信号的噪声波动太大，使复合体无法调节能量流。

折射

地球周围的大气由于重力的影响，越靠近地面，其密度就越大，对应的折射率也越大，越远离地面，空气越稀疏，对应的折射率也越小.（越往上升，越接近真空，其折射率越接近1），可以通过把大气想象为凸透镜或三棱镜来解释这个现象。早晨时太阳光穿过凸透镜最厚的地方，会被放得比中午穿过薄的地方折射更大，

斯内尔窗Snells window 和 新地岛效应

光线在两种介质的界面会发生折射。斯涅耳定律是由荷兰物理学家W·斯涅耳于1621年从实验观察中首次发现的关于折射光线方向的定律。

日常生活中水面和大气的折射形成斯内尔窗（斯涅尔定律，Snell's Law）或鱼眼视野。

大气中的斯内尔窗曾被认为非常微弱。

1596-1597年，巴伦支最后一次试图打通东北航线（从挪威北部向东航行到达白令海），探险图中发现了斯瓦尔巴群岛。在船的位置新地岛Novaya Zemlya，纬度76度15分，船队成员注意到极夜比根据地理知识（纬度）计算的提前15天结束。这一发现引起了一些争议。巴伦支认为起初不相信这一发现，但是后来亲自目睹这一现象而相信。亚里士多德曾经预言这一现象，但是这是第一次实际报道，因此这一现象称为新地岛效应。

日落时太阳的变形 

太阳在初升或落山时，显得有点扁，好像被上下捏了一下，上下短了点，左右拉宽了。

这不是眼睛的错觉，而是真有物理原因-----大气折射。大气在高空和低空的密度不一致，高空稀薄，靠近地面稠密，密度慢慢变化。阳光穿过这些不同密度的空气时，会稍微弯曲，就像筷子插进水里看着弯了一样。

太阳在地平线附近时，阳光斜着穿过大气，路程长，弯得就更厉害。下半边被大气抬高了35分（角度单位），上半边只抬高了29分，差了6分。太阳本身的角直径平均是32分，这么一折腾，上下方向就短了五分之一，难怪看着扁了。

色散绿闪蓝闪

色散是一束光的现象。

 当光厚的时候，色散的光就重新汇聚成白光，只在边缘出现色光。

当太阳下沉的时候，最后一个薄层的光被色散严重，随着下沉，红光、黄光、紫光依次通过人的眼睛，就会看到绿闪和蓝闪。

在电影《加勒比海盗》中，在日落时分，船长Sparrow让船员一起晃动船身，当太阳落入大海，大船翻转底朝天，随太阳一起下沉。随着一道绿色闪光，他们“穿越”到黎明，大船随着太阳的升起而浮出海面。这个场景中的这道绿色闪光就是绿闪（绿光）Green Flash。

血月

血月（Blood Moon），通俗来讲就是天空中出现红色的月亮，是一种自然景象，也是一种奇观。

血月一般出现在月全食之时。地球挡在太阳和月亮之间，太阳光因为地球本影阻挡不能直射到月亮上；只有部分太阳光能够经过地球大气层折射之后照到月亮上，而地球浓厚的大气层又把大部分紫、蓝、绿、黄光都吸收掉了，只剩下红色光吸收率、折射率低，可以穿透过来投射到月球表面，故而使月亮在月全食期间呈现出红色的样子。

在正常情况下，只有日出带和日落带也有红光会折射到达月表，地球其他部分折射的白光将红色压制住，所以不会出现血月。

在日全食的时候，地球的四周都有红光折射到月球，从月球看，地球是被红光围绕的。

这些红光被月表反射，在地球(非月食区)的人们就看到了血月。