可见光之于生命

通常我们说阳光常常默认是可见光,因为人和动物利用它产生视觉,植物利用它进行光合作用.人类、动物和植物都离不开可见光,但是可见光的波长在400 nm～760 nm之间,只占电磁波谱的很小一部分,为何对于生物却如此重要呢?这就要从太阳的辐射和大气的吸收说起.下面我们首先用例题[1]来说明太阳辐射提供给地球的能量.

例.已知太阳半径RS=6.96×108m,地球半径RE=6.37×106m,地球到太阳的距离d=1.496×1011m.若将太阳视为表面温度5900 K的黑体,试计算：(1) 太阳每单位表面积上所发射的功率,(2) 地球表面阳光直射的单位面积接受到的辐射功率,(3) 地球每秒内接受的太阳辐射能.

解析:根据斯特藩-玻尔兹曼定律M0(T)=σT4,σ=5.67×10-8W·m-2·K-4,可求出太阳表面的辐出度M0(T),即单位表面积的辐射功率

M0(T)=σT4=6.87×107W·m-2，

从而太阳辐射的总功率为

PS=4πRS2M0=4.2×1026W，

根据能量守恒,以太阳为中心、以日地距离d为半径的球面上的总功率即为PS,故地球表面阳光直射的单位面积接受到的辐射功率为

1.49×103W/m2.

由于地球到太阳的距离远大于地球半径,可将地球看成半径为RE的圆盘,故地球接受太阳的辐射能功率PE为

PE=πRE2PE′=1.9×1017W.

正是由于太阳持续不断的对地球“加热”,才使得地球能够保持“温暖”.然而生命对环境的要求非常苛刻,环境温度需在300 K附近,上下波动不超过几十K,既不能过高也不能过低.有两方面的原因使得这一条件得以满足.一方面由于地表70%的面积被水覆盖,而水的比热非常大,因此在吸热时温度不会升高很快,在放热时温度也不会降低很快,起到了“恒温热源”的作用.另一个因素是大气层,通俗地说,大气层就像一层厚厚的被子盖在地球身上,防止热量迅速散失,起到了“保温”的作用.下面我们进一步分析太阳辐射的特点以及大气的影响.

从太阳光谱测得太阳辐射的峰值波长为λm=490 nm,恰好落在蓝光区域,这表明太阳辐射的能量主要集中在可见光波段附近.也就是说,太阳辐射在可见光波段最强.若将太阳看作黑体,将太阳辐射的峰值波长代入黑体辐射的维恩位移定律[1]

Tλm=b,

其中b=2.897×10-3m·K，可得太阳表面温度近似为5900 K,即上述例题中所取的温度值.这也是我们常说太阳表面温度为6000 K的原因.同样的,若将地球视为黑体,地表温度大约为300 K,由维恩位移定律可知,地球辐射的电磁波波谱的峰值波长约为 9.7 μm,属于红外波段,也就是说地球所辐射出的能量主要集中在红外范围.而分子的振动能谱恰巧在这一区域,因而产生强烈的吸收,于是对地表起到了“保温”的作用.同时大气分子对太阳光谱中红外波段能量的吸收使得到达地表的辐射功率减小,防止了地表温度过高.我们用图1和图2来详细阐明辐射和吸收的特点.

太阳的辐射功率谱如图1[2]所示,其中横坐标为光子能量(以电子伏特为单位),图中最上方给出了对应的波长(以微米为单位),图1中间下部用两道竖线特别标示出了可见光波段;纵坐标为太阳功率谱(以W/m2/eV为单位).图1中曲线A为大气层外部的入射功率谱,曲线B为太阳在天顶位置时在海平面上的典型功率谱,B曲线上红外波段的“深沟”是主要由水蒸气引起的吸收带.其他气体分子和尘埃对于吸收和散射也有影响,比如臭氧引起紫外吸收.曲线A表明了太阳的辐射功率谱主要集中在红外与可见光波段,然而经过大气的吸收和散射,特别是水蒸气在红外波段的强烈吸收,从曲线B可见,到达地表的辐射以可见光为主,换言之,大气对可见光波段的吸收和散射是非常少的.曲线B为一样例,不同地点、时间的功率谱不同,特别是云量多少的较大变化将对水蒸气吸收带的贡献产生较大影响.因此有必要深入了解水对电磁波的吸收特性,如图2所示.[2]

图1

图2的横坐标为电磁波频率,纵坐标为水的吸收系数,图中实线表示水的吸收曲线,中间两条虚线表示出400 nm～700 nm的可见光波段.由图2我们可以清楚地看到,水对可见光的吸收系数非常小.当光的频率稍稍偏离可见光频段时,水对电磁波的吸收系数却陡然上升了几个数量级.这一特征解释了为什么水蒸气在空气中所占比例并不高,但是在当前讨论的大气对阳光的吸收问题中却非常重要.虽然太阳辐射功率谱中有相当一部分是在红外波段,不过由于水蒸气以及其他气体分子的吸收,致使到达地表的太阳辐射中红外波段能量已经损失了很大一部分,并且这种红外吸收的多少变化非常大,视天气晴阴、云层厚度而定;另一方面大气对于可见光波段的电磁波却是非常透明的,该波段光谱到达地表时能量损失不大.可见光波段能量的减少除了一小部分是吸收引起以外,主要是空气分子和尘埃的散射所致.[2]这一散射机制解释了为什么白天是亮的,即我们不向太阳的方向看去却依然能看到明亮的天空,以及天空为什么是蓝色.顺便指出,正是由于人们对水蒸气吸收特性的研究,才结束了二战期间开始的短波长雷达竞争.[2]虽然雷达波长越短分辨率越高,但是由于水的吸收系数随频率增加很快,如图2所示,在潮湿空气中雷达波会衰减很厉害.也正因为水对长波的吸收系数相对比较小,潜艇通讯只能采用长波波段.不过波长越长,所用天线尺寸也越大,这就从另一方面限制了潜艇通讯波长.

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