Explicación del conocimiento de la física por qué el cielo es azul - Mobile iAsk.
En comparación con la longitud de onda de la luz visible (entre 400 y 700 nanómetros), las partículas como el polvo y las gotas de agua en el aire pueden denominarse gigantes. Tomemos como ejemplo el recientemente popular PM2.5. Se refiere a la contaminación causada por partículas suspendidas en el aire con un tamaño de partícula de 2,5 micrones o menos. 2,5 micrones equivalen a 2500 nanómetros, que es mucho más grande que la longitud de onda de la luz visible en la luz solar, por lo que cuando la luz solar encuentra estas partículas, se reflejan en diferentes direcciones. Sin embargo, esta reflexión tiene el mismo efecto en diferentes longitudes de onda (o colores) de luz. En otras palabras, las partículas como el polvo todavía reflejan todos los colores de la luz blanca. ¿No lo crees? Cuando los índices de contaminación del aire como PM2.5 vuelvan a aparecer en la clasificación, basta con mirar hacia arriba y ver de qué color es el cielo; hay que decir que no se puede ver el cielo, sólo un trozo de blanco...
Entonces, ¿por qué el cielo es azul? ¿Qué pasa con los sexys? De hecho, hay una gran cantidad de partículas en el aire que son más pequeñas que la longitud de onda de la luz visible. Es decir, el "diámetro" de muchas moléculas de gas en el aire, como las moléculas de oxígeno y nitrógeno, es de aproximadamente 0,3 nanómetros. Al encontrarse con estas moléculas de gas, algunos fotones son absorbidos. Después de un tiempo, la molécula libera otro fotón. Los fotones emitidos tienen el mismo color que los fotones absorbidos, pero su dirección ha cambiado. Si bien se absorben fotones de todos los colores, los fotones de mayor frecuencia (es decir, el azul) se absorben más fácilmente que los fotones de menor frecuencia (rojo). Este proceso se llama dispersión de Rayleigh, en honor al físico británico Sir John Rayleigh, quien lo describió por primera vez en la década de 1970.
Entonces, es más probable que la luz azul sufra dispersión de Rayleigh con las moléculas de aire, entonces, ¿cómo puede producir un cielo azul? Hagamos una suposición simple. ¿De qué color sería el cielo si no hubiera aire? Aunque la mayoría de nosotros nunca hemos estado en el espacio, podemos ver en los documentales del alunizaje del Apolo que incluso cuando el sol brilla en el cielo, el cielo sigue negro. La razón se puede ver mirando la imagen a continuación:
Debido a que Rayleigh se dispersa en el aire, la situación es completamente diferente. A medida que la luz solar viaja a través de la atmósfera, es más probable que la luz azul sufra dispersión de Rayleigh, desviándola en una dirección diferente a la dirección original de la luz solar. Entonces, incluso si no miramos directamente al sol, sino que miramos en otras direcciones del cielo, siempre hay fotones (más luz azul) dispersados por las moléculas de aire que ingresan a nuestros ojos, por lo que lo que vemos es el cielo azul. Como se muestra a continuación.
De hecho, el director Fang escribió un largo artículo sobre este tema, que es mucho más detallado y preciso que el que tengo aquí. Si te interesa, lectura recomendada: "¿Por qué el cielo es azul?"
"¿Por qué el cielo es azul?" La explicación física correcta se completó en 1910, hace cien años. Una aplicación importante de la física "Sky Blue" es la comunicación por fibra óptica, proyecto por el que el Sr. Kao Kun ganó el Premio Nobel de Física el año pasado.
La física "Sky Blue" parece ser muy popular. Todos los estudiantes de secundaria que hayan visto "Cien mil porqués" pueden decir su "respuesta estándar":
"Habrá muchos polvos diminutos, gotas de agua, cristales de hielo y otras sustancias en el aire. ¿Cuándo? el sol brilla. Al pasar por el aire, la luz de colores con longitudes de onda más cortas, como el azul, el violeta y el índigo, es fácilmente bloqueada por partículas suspendidas en el aire, dispersando así la luz en todas direcciones, haciendo que el cielo parezca azul”. p>
En el mundo chino, la mayoría de los sitios web de ciencias educativas autorizados, independientemente de su tamaño, todavía utilizan las "respuestas estándar" mencionadas anteriormente casi palabra por palabra.
Esta interpretación del "azul cielo" es básicamente el nivel de mediados del siglo XIX. Fue iniciado por el físico británico John Tyndall (1820-1893). A menudo se le llama modelo de dispersión de Tindor. De hecho, "la luz azul de longitud de onda corta es fácilmente bloqueada por partículas suspendidas en el aire... y dispersada en todas direcciones". Pero no es la verdadera razón del "cielo azul". Si el cielo azul se debe principalmente a la dispersión de gotas de agua, cristales de hielo y otras partículas, entonces el color y la profundidad del cielo deberían cambiar con los cambios en la humedad del aire. Porque cuando cambia la humedad, la cantidad de gotas de agua y cristales de hielo en el aire cambiará significativamente. La humedad varía mucho entre zonas húmedas y zonas desérticas, pero el cielo es del mismo azul. El modelo de dispersión de Tyndall no puede explicarlo. A finales del siglo XIX, la interpretación de Ding sobre Tianlan estaba siendo cuestionada.
En la década de 1880, John Rayleigh (1842-1919) observó que no era necesario recurrir a partículas suspendidas en el aire como polvo, gotas de agua y cristales de hielo. El oxígeno, el nitrógeno y otras moléculas del aire dispersan la luz solar y la luz azul se dispersa fácilmente. Por tanto, la dispersión de las moléculas de aire puede ser la principal causa del "cielo azul".
Sin embargo, la dispersión de cada molécula no significa que el aire en su conjunto será azul. Si el aire puro fuera extremadamente uniforme, no habría un "cielo azul" con muchas moléculas. Como un espejo muy plano, sólo refracta o refleja y rara vez se dispersa. En un entorno homogéneo, las dispersiones de diferentes moléculas se anulan entre sí. Al igual que en un entorno con una fuerte disciplina colectiva (como una prisión), el comportamiento independiente y relajado de todos está completamente comprimido. Y el "cielo azul" depende de la independencia de las moléculas y de que no hay interferencia o hay menos interferencia.
Para ello, Rayleigh planteó la hipótesis de que el aire no es una “prisión” para las moléculas. Por el contrario, moléculas como el oxígeno y el nitrógeno caminan y se distribuyen aleatoriamente. Los resultados cuantitativos de Rayleigh calculados con este modelo concuerdan bien con las propiedades del azul. En 1899, Rayleigh escribió un artículo resumido "Sobre el origen del cielo azul"[1], que comenzaba:
Incluso si no hubiera partículas extrañas, todavía tendríamos un cielo azul.
Las "partículas extrañas" son las necesarias para la dispersión Tyndall. Desde entonces, la teoría del cielo azul de Tindor ha sido abandonada. La dispersión de Rayleigh se ha convertido en la corriente principal de la teoría del "cielo azul".
Aunque la teoría del azul de Rayleigh tuvo éxito, su suposición de la distribución aleatoria de las moléculas también estaba bien fundada. Pero Rayleigh básicamente asumió que el aire era el llamado gas ideal, lo cual era una debilidad pequeña pero no despreciable. Porque el aire no es un gas ideal.
En 1910, Einstein finalmente resolvió este problema. Einstein utilizó su recientemente desarrollada teoría termodinámica estadística de la entropía (una medida del caos) para demostrar que incluso el aire más puro fluctúa. Las fluctuaciones de densidad del aire también pueden dispersarse, y la luz azul se dispersa fácilmente. La dispersión de las fluctuaciones de densidad es suficiente para producir el cielo azul que vemos. Si el aire fuera un gas ideal, los resultados de Einstein serían los mismos que los de Rayleigh. Entonces, en pocas palabras, la causa del cielo azul es:
“Hay impurezas indelebles en el aire, que son las fluctuaciones del aire mismo. La dispersión de la luz solar por las fluctuaciones de densidad forma el cielo azul. ”
La física del origen del "cielo azul" no fue iniciada por Einstein, pero Einstein planteó la teoría más completa. Así, la física del "Sky Blue" se completó en 1910.
La teoría del "cielo azul" de Rayleigh y Einstein es universalmente aplicable. Se puede utilizar para explicar el fenómeno del "cielo azul" en el aire puro y también para explicar el fenómeno del "cielo azul" en líquidos o sólidos como agua pura y vidrio puro. Por supuesto, también hay áreas en las que esta teoría no se aplica. Hace muchos años, escuché a alguien cantar "Amo el cielo azul de mi patria" al "cielo azul". No lo confundas con “Amo la independencia de mi patria pero estoy deambulando”.
La primera fórmula física que sentó las bases de la "comunicación por fibra óptica" citada por el Sr. Kao Kun en su primer artículo [3] fue la fórmula de dispersión de Rayleigh "azul cielo" de Einstein (fórmula de Einstein-Smolukovsky). El vidrio es un líquido solidificado. Incluso si el vaso más ideal no tiene burbujas ni defectos, todavía hay "impurezas" indelebles en el vidrio, que son fluctuaciones indelebles en el propio vidrio. Las señales (ondas de luz) que se propagan en las fibras ópticas son dispersadas por ondas en el vidrio. El mecanismo "cielo azul" es la principal causa física de pérdida de señal de comunicación de fibra óptica. Esto es algo que la tecnología de fabricación de fibras no puede eliminar. Sólo puedes elegir luz "no demasiado azul" para reducir su impacto.
Muchos sitios web (chinos) de educación y ciencia autorizados informan que el Sr. Gao es el chino más influyente del mundo. De hecho, la influencia del Sr. Gao es mundial. Curiosamente, los sitios en sí no parecen estar entre los "afectados". Por ejemplo, la explicación "azul cielo" citada al principio de este artículo no se ha "afectado" en absoluto. Para los adolescentes, las "explicaciones estándar" no son la leche en polvo contaminada, sino también la leche en polvo caducada hace cien años.