太阳在早晨呈现为红色的形成原因

【摘要】若凸透镜可视为无数个顶角不同而底面都朝中间的三棱镜构成，那么。球形光密介质，可视为特殊的凸透镜。如图1所示。 当太阳光透过球形光密介质时，因为上半球（以过球心的最大截面为...

摘要：太阳光透过地球表面的具有球形性质的大气层的过程中，太阳光发生折射、色散现象。由于色散后的外层红色光区没有和其它色光混合。所以，外层的光区显示为红色。因为随着地球的自转，地球表面进入白昼时，首先要经过这层红色光区。所以，在日出时段内观察太阳时，太阳是红色的。

关键词：球形光密介质，色散，红色光区，混合光区

中图分类号： 文献标识码：A 文章编号：1673-8500（2013）03-0054-02

本文根据太阳光在球形光密介质中的折射、色散性质，对太阳光透过大气层的过程中的色散性质进行分析。分析表明，早晨及傍晚的太阳呈现红色，是与太阳光在球形性质的大气层中的折射、色散的性质有关。

一、球形光密介质对太阳光的色散性质分析

若凸透镜可视为无数个顶角不同而底面都朝中间的三棱镜构成，那么。球形光密介质，可视为特殊的凸透镜。如图1所示。

当太阳光透过球形光密介质时，因为上半球（以过球心的最大截面为例）使光的折射方向向下偏折，同时发生色散现象，下半球使光的折射方向向上偏折，同时发生色散现象。所以，折射、色散后，上下最外层的光区呈现为没有和其它色光混合的红色光区。而内部由于色散后又发生交叉、混合，所以，视觉上显示为白色。这就是球形光密介质色散太阳光后会呈现外层是红色的单色光区（焦距以内），内部是白色的原因。

由下面的实验可以证明上面所描述的这一现象。如图2所示。

实验器材：玻璃球一个，白纸一张。

实验步骤：把玻璃球放在明亮的太阳光下，把白纸放在玻璃球折射后的太阳光的光区中（焦距以内）。

观察结果：白纸上出现一个经过玻璃球折射、色散后的一个光区，而且这个光区，具有外圈是红色的单色光区，内部是白色光区。

二、早晨的太阳呈现红色的形成原理

虽然整个地球上的大气层形成为球形，但是由于大气层由内向外的密度是逐渐减小的，所以太阳光进入大气层被折射后的路线应当是弯曲的，而且是弯曲的程度由外向内是逐渐变大的，这种向同一方向继续折射的性质，其实和三棱镜的性质一样，是有利于加剧光的折射及色散现象的。由第一节的分析可知，也就是由于这种使折射现象加剧，以及透过的大气层的路程很大，才导致了太阳光在大气层内就有鲜明的色散现象，所以，这种渐变的折射现象，不但不影响光的色散现象，而且是增强了太阳光的色散性质。

所以，为了方便分析，本文用直线来表达光在大气层中的折射现象，即可视为大气层的密度基本是均匀的。如图3所示。

由第一节的理论可知，当太阳光透过球形性质的大气层时，由于大气层对太阳光的折射、色散。形成外层呈现没有和其它色光混合的红色单色光区，内部呈现色散后又混合到一起的视觉上呈现白色的光区。

可以这样推理，既然在陆地上，太阳在日出时段内呈现为红色，说明太阳光被大气层折射、色散后的红色光区是恰好掠过陆地表面的（红色光区的方向和陆地表面相切）。随着地球的自转，也只有日出时段内的陆地表面必须通过这层红色光区。才能在日出时段内太阳在视觉上会呈现为红色。

同理，由于地球上整个大气层的厚度基本是相同的（同一纬度），切呈现为球形，傍晚的日落时段内，太阳也是红色的。

由于球形的大气层折射、色散太阳光后的内部是混合的色光，视觉上是显示为白色，所以，随着地球的自转，陆地表面转到大气层折射、色散太阳光后的内部的混合光区内时，即在白昼的大部分时段内，太阳光在视觉上会呈现为白色，事实上，大气层内的太阳光是已经被大气层折射、色散后的各种色光了。只是色散后的各种色光又交叉混合在一起，视觉上难以辨别而已。

三、拓展

如果，被大气层色散后的红色光区的方向不是恰好和陆地表面相切，那就存在两种情况：

1，当地球的大气层的平均密度相对较大时，折射率就会增大，太阳光折射后，如图4（a）所示，此时，人在陆地上相对看到的日出就比较晚（相对现在看到日出的时间）。但是，仍然会存在日出时的太阳是红色的。因为，虽然看到的日出较晚，但是，随着地球的自转，陆地表面还是要先进入被大气层色散后的最外层的红色光区的。

2，当地球的大气层相对平均密度偏小时，如图4（b）所示，由于空气的折射率也会偏小，此种情况之下。被大气层折射、色散后的红色光区就会位于陆地表面的上方，陆地表面，是无法通过这部分红色光区的，随着地球的自转，陆地表面开始进入的光区，也是色散后又混合的光区。所以，陆地上的日出时段内，太阳也会呈现为肉眼无法辨别的混合的光，即视觉上是白色的光。

四、讨论

（一）关于大气层的密度的探讨

由《地球空心论》的理论可知，单独来看大气层，也必须具有中间层次的大气的密度最大的性质。

按现有的理论，物质一般具有温度越高，密度就越小的规律。因为大气层随着高度的增加而温度降低，所以，空气的密度也不会绝对的随着高度的增加而减小。也就是说，按现有的理论也可以推理，最靠近地面的大气层的密度不一定就最大。密度最大的应当是中间的大气层。

这样，若空气的折射率的大小最终归结为基本上与物质的密度的大小有关的话，那么太阳光在大气层中的折射率就不是逐渐增大的，就会具有另外一种性质（由于篇幅等因素，此性质与自然现象之间的联系，另作论述）。

（二）对当前理论的质疑

按当前理论，早晨的太阳光穿过的大气层的距离较大，遇到的空气分子就多，其他色光被空气（光密介质）吸收较多，只有不容易被吸收的红光到达了地面。所以，太阳在早晨呈现为红色。按此推理，若光经过密度较大的光密介质时遇到的物质，相当于光经过了距离较大的、密度较小的空气时所遇到的物质。理应也只有红光才能穿过。但是，事实并不如此。当白昼的太阳穿过密度较大的浓雾（透过浓雾中遇到的物质相当于透过较大距离的空气所遇到的物质，甚至比早晨的太阳光到达地面时遇到的物质多得多），甚至太阳都隐约可见时，太阳也是白色的，而且刺眼的红、黄光线反而被挡住了。

更为鲜明的是，光透过密度更大的水，玻璃等，光的色散现象更为明显，其它色光并没有明显的被吸收。

所以，以其他颜色被空气吸收，来归结为早晨的太阳呈现为红色原因，是不符合客观事实的。

五、结论

太阳光透过大气层折射、色散的过程中，外层没有和其它色光交叉、混合的红色光区掠过陆地表面（或图4（a）所示的情况），是形成早晨的太阳呈现为红色的主要原因。