蓝色的海洋是天空造成的吗?

钱德拉塞卡之问：蓝色的海洋是天空造成的吗?钱德拉塞卡是个有点羞涩的印度青年。19岁那年，他因成绩优异获得政府奖学金，只身乘船前往英国剑桥求学。在长达十几天的漫长航行中，他突然问自己“海洋与天空为什么同是蓝色的，是否蓝色的海洋是天空造成的吗?”同时，他又奇迹般地初步计算出一个结果——在当时，恒星的白矮星阶段被认为是一切恒星演化过程的最终阶段。但是钱德拉塞卡的计算表明，当恒星质量超过某一上限时，它的最终归宿将不会是白矮星。

人们常喜欢用蓝色来形容海洋。其实海水的颜色，从深蓝到碧绿，从微黄到棕红，甚至还有白色的，黑色的，并非只是蓝色。

我们的眼睛，是靠接收外界的光线来观察世界、认识颜色的。光的本质是电磁波，不同波长的光对应不同的颜色。我们用眼睛看东西，其实是在用眼睛接收各种波长的可见光。当我们眼睛里的视锥细胞接收到不同波长的可见光，就会告诉我们的大脑，让我们产生看到颜色的感觉。

我们看见一个东西有某种颜色，代表着那个东西反射了某种特定波长的光。比如，我们看见绿色的叶子，那是因为叶子里的叶绿素吸收了可见光中的红光和紫光，使叶子反射出绿光，然后我们的眼睛接收到绿光，就产生叶子是绿色的感觉。

如果某个东西将所有入射的可见光全部吸收了，也就是说没有可见光被反射到我们眼睛里，那么这个东西在我们的眼睛看来就是黑色的。如果某个东西完全不吸收入射光，所有的可见光全都反射到我们眼睛里，那么我们看到的就是所有赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫光的混合，也就是阳光的颜色——白色。如果某个东西能被所有的可见光穿透，而不发生反射、折射和散射，那么我们就会看到那个东西是透明的。

准确地说，水的颜色会随着水周围的环境而变化，水里溶解的元素或悬浮的杂质，都可能使水产生不同的颜色。平时我们看见的水似乎都是无色透明的，那是因为水量相对较小，而组成水的水分子们，对可见光的吸收太少，简直可以忽略不记。因此，几乎所有可见光都会从水中穿透，在我们的眼睛看来，水自然就是透明的了。

但实际上，纯净的水会呈现淡蓝色。当水特别多、特别深时，我们会很容易地发现这一点。尽管前面说过水分子对可见光的吸收微乎其微，但水分子里有一个叫「氢键」的东西，在它的作用下，水对红光、绿光的吸收，会略微比蓝光更多，从而使蓝色光线更容易显现。所以，当纯净的水达到一定深度时，就会呈现蓝色，水越深就越蓝，

海洋色彩是由海水的光学性质和海水中所含的悬浮物质、海水的深度、云层的特点及其他因素决定的。太阳光由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色组成，这七种颜色的光，波长各不相同，从红光到紫光，波长逐渐变短，长波的穿透能力最强，最容易被水分子吸收，短波的穿透能力弱，容易发生反射和散射。海水对不同波长的光的吸收、反射和散射的程度也不同。光波较长的红光、橙光、黄光，射人海水后，随海洋深度的增加逐渐被吸收了。一般说来，在水深超过100米的海洋里，这三种波长的光大部分能被海水吸收，并且还能提高海水的温度。而波长较短的蓝光和紫光遇到较纯净的海水分子时就会发生强烈的散射和反射，于是人们所见到的海洋就呈现一片蔚蓝色或深蓝色了。近岸的海水因悬浮物质增多，颗粒较大，对绿光吸收较弱，散射较强，所以多呈浅蓝色或绿色。

同样，雪为什么是白色的？这是由构成雪花的无数冰晶所产生的反光造成的。可见光在雪花和积雪中传播时，被多次折射、反射，而且折射、反射后的光还会不断叠加，再次折射、发射。最终，复杂的多次折射、反射，使得各种波长、颜色的光混合在一起，变得乱七八糟，一起反射回来，没有哪种特定波长的光，会被整齐统一地吸收或反射。就这样，在我们的眼睛看来，雪就变成了白色。

再用同样道理解释，天空为什么是蓝色的？

可见光色谱范围跨越最长720nm的红光到最短的380nm的紫光，其中包含橘黄，黄，绿，蓝和靛蓝的光波波长。人眼视网膜上的色彩接收器对于红绿蓝三种颜色有较强的接收能力，三种颜色的组合形成了人眼的色觉。丁达尔在1859年提出的丁达尔效应奠定了我们能够正确解释天空颜色的最初几步。他发现，当光线通过具有小微粒的透明悬浮液的时候，光波较短的蓝色光线比红色光线具有更强的散射现象。瑞利男爵发现，在存在充分散射粒子的前提下，散射光线的量与光波长的四次方成反比。由此推知，蓝光的散射量是红光的(700/400)4 ~= 10倍。所有自然界的蓝色都是由光线的散射产生的。

但是并不是所有自然界的蓝色都是由光线的散射产生的。海洋呈现蓝色是因为深度20米的海水吸收了长波光线。从海岸上看过去，海水同时也反射了天空的颜色所以呈现蓝色。一些鸟类和蝴蝶通过光线的衍射呈现蓝色。

2020.12.2