可見光之于生命

朱 琴 趙詩華

(1. 北京市昌平區第二中學,北京 102208; 2. 中國礦業大學(北京)理學院,北京 100083)

通常我們說陽光常常默認是可見光,因為人和動物利用它產生視覺,植物利用它進行光合作用.人類、動物和植物都離不開可見光,但是可見光的波長在400 nm～760 nm之間,只占電磁波譜的很小一部分,為何對于生物卻如此重要呢?這就要從太陽的輻射和大氣的吸收說起.下面我們首先用例題[1]來說明太陽輻射提供給地球的能量.

例.已知太陽半徑RS=6.96×108m,地球半徑RE=6.37×106m,地球到太陽的距離d=1.496×1011m.若將太陽視為表面溫度5900 K的黑體,試計算：(1) 太陽每單位表面積上所發射的功率,(2) 地球表面陽光直射的單位面積接受到的輻射功率,(3) 地球每秒內接受的太陽輻射能.

解析:根據斯特藩-玻爾茲曼定律M0(T)=σT4,σ=5.67×10-8W·m-2·K-4,可求出太陽表面的輻出度M0(T),即單位表面積的輻射功率

M0(T)=σT4=6.87×107W·m-2，

從而太陽輻射的總功率為

PS=4πRS2M0=4.2×1026W，

根據能量守恒,以太陽為中心、以日地距離d為半徑的球面上的總功率即為PS,故地球表面陽光直射的單位面積接受到的輻射功率為

1.49×103W/m2.

由于地球到太陽的距離遠大于地球半徑,可將地球看成半徑為RE的圓盤,故地球接受太陽的輻射能功率PE為

PE=πRE2PE′=1.9×1017W.

正是由于太陽持續不斷的對地球“加熱”,才使得地球能夠保持“溫暖”.然而生命對環境的要求非常苛刻,環境溫度需在300 K附近,上下波動不超過幾十K,既不能過高也不能過低.有兩方面的原因使得這一條件得以滿足.一方面由于地表70%的面積被水覆蓋,而水的比熱非常大,因此在吸熱時溫度不會升高很快,在放熱時溫度也不會降低很快,起到了“恒溫熱源”的作用.另一個因素是大氣層,通俗地說,大氣層就像一層厚厚的被子蓋在地球身上,防止熱量迅速散失,起到了“保溫”的作用.下面我們進一步分析太陽輻射的特點以及大氣的影響.

從太陽光譜測得太陽輻射的峰值波長為λm=490 nm,恰好落在藍光區域,這表明太陽輻射的能量主要集中在可見光波段附近.也就是說,太陽輻射在可見光波段最強.若將太陽看作黑體,將太陽輻射的峰值波長代入黑體輻射的維恩位移定律[1]

Tλm=b,

(1)

其中b=2.897×10-3m·K，可得太陽表面溫度近似為5900 K,即上述例題中所取的溫度值.這也是我們常說太陽表面溫度為6000 K的原因.同樣的,若將地球視為黑體,地表溫度大約為300 K,由維恩位移定律可知,地球輻射的電磁波波譜的峰值波長約為 9.7 μm,屬于紅外波段,也就是說地球所輻射出的能量主要集中在紅外范圍.而分子的振動能譜恰巧在這一區域,因而產生強烈的吸收,于是對地表起到了“保溫”的作用.同時大氣分子對太陽光譜中紅外波段能量的吸收使得到達地表的輻射功率減小,防止了地表溫度過高.我們用圖1和圖2來詳細闡明輻射和吸收的特點.

太陽的輻射功率譜如圖1[2]所示,其中橫坐標為光子能量(以電子伏特為單位),圖中最上方給出了對應的波長(以微米為單位),圖1中間下部用兩道豎線特別標示出了可見光波段;縱坐標為太陽功率譜(以W/m2/eV為單位).圖1中曲線A為大氣層外部的入射功率譜,曲線B為太陽在天頂位置時在海平面上的典型功率譜,B曲線上紅外波段的“深溝”是主要由水蒸氣引起的吸收帶.其他氣體分子和塵埃對于吸收和散射也有影響,比如臭氧引起紫外吸收.曲線A表明了太陽的輻射功率譜主要集中在紅外與可見光波段,然而經過大氣的吸收和散射,特別是水蒸氣在紅外波段的強烈吸收,從曲線B可見,到達地表的輻射以可見光為主,換言之,大氣對可見光波段的吸收和散射是非常少的.曲線B為一樣例,不同地點、時間的功率譜不同,特別是云量多少的較大變化將對水蒸氣吸收帶的貢獻產生較大影響.因此有必要深入了解水對電磁波的吸收特性,如圖2所示.[2]

圖1

圖2的橫坐標為電磁波頻率,縱坐標為水的吸收系數,圖中實線表示水的吸收曲線,中間兩條虛線表示出400 nm～700 nm的可見光波段.由圖2我們可以清楚地看到,水對可見光的吸收系數非常小.當光的頻率稍稍偏離可見光頻段時,水對電磁波的吸收系數卻陡然上升了幾個數量級.這一特征解釋了為什么水蒸氣在空氣中所占比例并不高,但是在當前討論的大氣對陽光的吸收問題中卻非常重要.雖然太陽輻射功率譜中有相當一部分是在紅外波段,不過由于水蒸氣以及其他氣體分子的吸收,致使到達地表的太陽輻射中紅外波段能量已經損失了很大一部分,并且這種紅外吸收的多少變化非常大,視天氣晴陰、云層厚度而定;另一方面大氣對于可見光波段的電磁波卻是非常透明的,該波段光譜到達地表時能量損失不大.可見光波段能量的減少除了一小部分是吸收引起以外,主要是空氣分子和塵埃的散射所致.[2]這一散射機制解釋了為什么白天是亮的,即我們不向太陽的方向看去卻依然能看到明亮的天空,以及天空為什么是藍色.順便指出,正是由于人們對水蒸氣吸收特性的研究,才結束了二戰期間開始的短波長雷達競爭.[2]雖然雷達波長越短分辨率越高,但是由于水的吸收系數隨頻率增加很快,如圖2所示,在潮濕空氣中雷達波會衰減很厲害.也正因為水對長波的吸收系數相對比較小,潛艇通訊只能采用長波波段.不過波長越長,所用天線尺寸也越大,這就從另一方面限制了潛艇通訊波長.

圖2 水的吸收系數

由圖1和圖2可知,由于大氣的吸收特性,大氣層對可見光是透明的,開設了一個“窗口”,并且由于太陽輻射的峰值功率集中在可見光附近,到達地表的輻射以可見光為主.于是我們豁然就明白了為什么無論是人、動物還是植物,都離不開可見光.正是源于大自然的這種巧妙安排,才產生了五彩繽紛的世界.這也許是進化的結果吧,總之,地球生命不約而同地采用了這個強度最大的波段作為生存的工具.