经典蓝?雾霾蓝?您眼中的天空是什么颜色的呢?

我们不仅拥有一个美丽的星球,还有一个美丽的天空。
由于地球和太阳的周期性的相互运动,以及地面上万物的轮回演变,每个地方的天空和天空下的万物都是不同的,这样就造就了每一处都有不一样的风景。


太阳的光


天空的亮度是变化的,清晨太阳慢慢升起,光线越来越多,世界变得越来越明亮;下午太阳向下降落,光照的强度越来越小。为了准确描述这种变化,在物理学上,定义单位面积上所接受可见光的能量为光照强度,简称照度,单位为勒克斯(Lux)。
户外的照度大小是有方向性的,尤其是在晴天。面向太阳的表面照度是非常高的,所以我们感觉很刺眼,此方向我们称为直射方向;背向太阳的照度是较低的,所以我们看蓝天眼睛没有不适感,此方向我们称之为散射方向。

2019年12月17日,我们在爱色丽彩通中国总部上海测量了白天的照度值,其随时间流逝、天气改变的变化如下:


照度值的变化

除了亮度在变化,光线的颜色也在发生变化。早晨太阳光是红色的,中午则感觉很白;而晴朗天空是蓝色的,多云时又会变得很白。
这种颜色的变化物理学上有多种表征方法,其中一种最为简单的表示方法是用黑体发光时的温度表征对应的光的颜色,简称色温,单位为开尔文(K)。
比如我们熟知的白炽灯发出的光的色温约为2800K,看上去偏红;通常办公室的荧光灯的色温为4000K,有点偏黄;有些家庭在夏天喜欢选择6500K色温的光源,感觉冷冷的,偏蓝。可见色温越低,越偏红光,感觉越暖;色温越高,越偏蓝光,感觉越冷。
下面是一个白天天空色温的变化趋势:

色温的变化

色温是对光线颜色的一种一维的简单的描述,这种描述是不完整的。要准确完整地对一种光线进行描述,需要分析它的光谱功率分布。
光是一种电磁波,可见光的波长范围通常是380nm-750nm,一束光在各个波段分布的能量,组成了最终光的颜色。
我们分析12:00时直射光和散射光的光谱功率分布曲线如下图。为了更直观地比较,我们对散射曲线进行等比例放大,使其与直射曲线在相同数量级进行比较。

可见直射光的能量在整个波段都远远高于散射光。散射光中的蓝绿光相对直射光较多,而黄红光则相对较少,所以散射光偏蓝,直射光偏红,其色温分别为6636K和5315K。这与我们感受到的蓝天和烈日是一致的。


太阳光对颜色的影响


无论直射光还是散射光,都是来自太阳的光。太阳的能量通过电磁波的形式输送到地球,让万物生长。冬天的时候,光线弱了,能量少了,天气变冷了,相应的生物运动也变得缓慢,来应对寒冷的气候。
银杏叶变成金黄色,飘落了一地;上海满大街的充满浪漫感觉的法国梧桐叶子变红了,树枝上零落地挂着几片,它在静静地等待着春天。

有一种树却依然绿色盎然,满大街飘扬着生命的气息,特别会让北方来的客人深受感动,他就是香樟树。

世界依然是五彩缤纷的,野菊花黄的耀眼,野果也让人垂涎欲滴,山樱散发出美丽的橘色。

颜色的表征可以进行数据化,较为简单和科学的体系是CIELAB系统,这个三维系统中上下表征颜色的深浅,周向为色调的变化,半径为饱和度的变化。

这些不同的颜色在这个体系中的坐标如下图表。

物体的颜色实际上是物体对太阳光的全色谱色光进行部分吸收和部分反射形成的。若要对颜色进行精确描述,需要测量物体是反射光谱曲线。

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可见菊花对蓝光进行了全面吸收,反射了大量的红光和绿光,红光和绿光结合起来我们看到了鲜艳的黄色。
香樟树对全光谱都有大量的吸收,其中对绿色光吸收量相对较少,反射到我们人眼后我们感觉到是深绿色。
大自然随着气候的变化而变化,气候随着阳光的变化而变化,阳光随着地球与太阳的位置变化而变化。
那天一会儿晴一会儿少云一会儿多云,风吹着云在天空移动,非常的美。后面几天阴雨连绵,这种天气也让人有在上海的感觉。之后第五天就是冬至了,是上海白天最短的一天。


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