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同一片花瓣的顏色為何有深有淺?揭開花青素分佈之謎

活躍星系核_96
・2017/06/09 ・1584字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 533 ・七年級

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譯者/黃宣霈|清華大學理學院學士班

約翰.英納斯研究中心(John Innes Centre, JIC)的科學家,藉由深入了解一個奇妙又艷麗的植物構造--「花青素液胞包含體(anthocyanic vacuolar inclusions, AVIs)」,來揭開一個存在已久的謎團……

花瓣多彩的三色堇。圖/pixabay

秋天的紅色楓葉、多彩的三色堇花瓣以及餐桌上的紫色藍莓,它們的色彩有個共通點:無論是紫色、藍色或橘紅色,都是由名為「花青素」的色素分子累積形成的。

花青素除了使植物能擁有五顏六色,它形成的樣式及明暗還能引導傳粉者上門拜訪,或吸引動物享用果實、幫助種子散播。此外,花青素還可以保護植物對抗光氧化(photo-oxidative)的破壞性傷害,例如高強度的紫外線。

AVIs:不尋常的花青素分布

在過去,花青素曾有一段時間被認為是以水溶性分子的形式,均勻分佈在植物細胞的液胞(vacuole)內。不過,也有過去的研究注意到:在某些植物的例子中,它們液胞裡的花青素會沉積出顯而易見的深色團簇,科學家給了這種小團簇一個名字,叫做「花青素液胞包含體」(後文使用縮寫 AVIs)。

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洋桔梗(Prarie Gentian, lisianthus)的花瓣中心呈現較深的紫色。圖/Pixabay
洋桔梗(lisianthus)花瓣基部深色區域的上表皮(adaxial epidermis),可見到紫色大液胞中紫色更深的AVIs。圖片擷自原研究。

直至今日,關於這種特別的構造是如何形成的,科學家尚未有確切的答案,更遑論是它為何存在。直到 JIC 的凱西.馬汀(Cathie Martin)教授將他們的團隊研究發表在 Current Biology 期刊,為AVIs形成的分子機制提出了新的見解。這項研究除了 JIC 的研究者,也有來自中國、紐西蘭、挪威的研究員參與。

AVIs的多少,關鍵在酸鹼和化學

菸草(Nicotiana tabacum)是一種植物研究中常用的模式生物1,一般而言它不會大量製造花青素。但是藉由基因改造,可以使菸草細胞內表達出一些原本在洋紅色金魚草中的蛋白質,進而讓菸草體內的花青素含量增高。根據研究團隊的觀察,這些花青素是可以在液胞內溶解的。再進行後續 AVIs 的相關實驗。

此研究的第一作者,JIC 的卡亞尼.卡蘭(Kalyani Kallam)博士說道:「透過將能夠大量表現可溶性花青素的基改煙草與有能力修飾花青素的菸草植株兩者雜交,我們就能夠製造出可以形成 AVIs 的菸草後代。在實驗中,我們針對不同的基因和改變環境因子2,推論出形成 AVIs 的化學步驟。此外,我們更進一步推測:AVIs 並不是被膜包覆的構造,而是花青素在經過一些特定的化學修飾3後,在液胞內沉澱的結果,這樣的情形會根據 pH 值有所不同。」

兩圖分別為不同菸草植株經雜交後的子代之根毛細胞;左圖呈現出高含量的水溶性花青素;右圖除了也呈現出高含量的水溶性花青素外,較深色的團塊即為 AVIs。圖片擷取自原文研究。

馬汀教授說道:「在許多植物中,AVIs的形成多半是特定種類的花青素在某些狀況下無可避免的化學現象。但是在另一些植物中,例如洋桔梗(Prarie Gentian, lisianthus),它的花瓣中心的顏色非常深,AVIs 可能透過使花瓣增加色素的密度,藉此吸引授粉者或是幫助種子散佈的動物。」

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註釋:

  1. 模式生物(model organism)指廣泛用於研究的物種,通常具有基因組小、生命週期短、容易繁殖後代等特性。
  2. 在實驗中所使用的不同環境因子,有改變溶液離子濃度、改變 pH 值、改變花青素濃度等等。
  3. 化學修飾(chemical modification)指在一個分子上發生共價鍵的變化,通常是某種基團的加入或移除。發生化學修飾後,可能會改變原本的分子活性。

原文研究

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活躍星系核_96
778 篇文章 ・ 128 位粉絲
活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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本文與 威力暘電子 合作,泛科學企劃執行。

想像一下,當你每天啟動汽車時,啟動的不再只是一台車,而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機,後果會有多嚴重?方向盤可能瞬間失靈,安全氣囊無法啟動,整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情,而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天,我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟,汽車的「大腦」—電子控制單元(ECU),是如何從單一功能,暴增至上百個獨立系統?而全球頂尖的工程師們,又為何正傾盡全力,試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化?

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代,當時的汽車工程師們面臨一項重要任務:如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力?「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現,關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間:火星塞的點火時機,也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內,這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一!引擎效率就能提升整整一成!這不僅意味著車子開起來更順暢,還能直接省下一成的油耗。那麼,要如何跨過這道門檻?答案就是:「電腦」的加入!

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工程師們引入了「微控制器」(Microcontroller),你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法,在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內,精準計算出最佳的點火角度,並立刻執行。

從此,引擎的性能表現大躍進,油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元(ECU)的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功,在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像:「這 ECU 這麼好用,其他地方是不是也能用?」於是,ECU 的應用範圍不再僅限於點火,燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車,甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而,問題來了:這麼多「小電腦」,它們之間該如何有效溝通?

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為了解決這個問題,1986 年,德國的博世(Bosch)公司推出了一項劃時代的發明:控制器區域網路(CAN Bus)。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上,就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是,CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如,煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息,絕對能搶先通過,避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題,但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線,並連接各種感測器和致動器。結果就是,一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里,總重量更高達 50 到 60 公斤,等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面,大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束,簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障,無疑讓人一個頭兩個大。

大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。/圖片來源:shutterstock

汽車電子革命:從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代,汽車電子架構迎來一場大改革,「分區架構(Zonal Architecture)」搭配「中央高效能運算(HPC)」逐漸成為主流。簡單來說,這就像在車內建立「地方政府+中央政府」的管理系統。

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可以想像,整輛車被劃分為幾個大型區域,像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙,就像數個「大都會」。每個區域控制單元(ZCU)就像「市政府」,負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合,並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理,就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台(HPC)擔任,統籌負責更複雜的運算任務,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)所需的環境感知、物體辨識,或是車載娛樂系統、導航功能,甚至是未來自動駕駛的決策,通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中, 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子,便精準地切入了這個趨勢,致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢,威力暘提供的解決方案,就像是將好幾個「分區管理員」的職責,甚至一部分「超級大腦」的功能,都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力,可同時支援 ADAS 與車載娛樂,還能兼容多種通訊協定,大幅簡化車內網路架構。如此一來,車廠在追求輕量化和高效率的同時,也能顧及穩定性與安全性。

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2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

萬無一失的「汽車大腦」:威力暘的四大策略

然而,「做出來」與「做好」之間,還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯?具體來說,威力暘電子憑藉以下四大策略,築起其產品的可靠性與安全性:

  1. AUTOSAR : 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層(RTE)和基礎軟體層(BSW)。就像在玩「樂高積木」,ECU 開發者能靈活組合模組,專注在核心功能開發,從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
  2. V-Model 開發流程:這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般,左側從上而下逐步執行,右側則由下而上層層檢驗,確保每個階段的安全要求都確實落實。
  3. 基於模型的設計 MBD(Model-Based Design) 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具,把整個 ECU 要控制的系統(如煞車),用數學模型搭建起來,然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前,就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷,,並驗證安全機制是否有效。
  4. Automotive SPICE (ASPICE) : ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」,它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性,而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」,也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化,並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作,其能否正常運作,自然被視為最優先項目。為此,威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準:ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統(特別是 ECU)的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」,從概念、設計、測試到生產和報廢,都詳細規範了每個安全要求和驗證方法,唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略,威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準,才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而,ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡,「大腦」變得更集中、更強大後,汽車產業又迎來了新一波革命:「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle, SDV)。

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軟體定義汽車 SDV:你的愛車也能「升級」!

未來的汽車,會越來越像你手中的智慧型手機。過去,車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」,想升級?多半只能換車。但在軟體定義汽車(SDV)時代,汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」,能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA(Over-the-Air)技術,車廠能像推送 App 更新一樣,遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過,這種美好願景也將帶來全新的挑戰:資安風險。當汽車連上網路,就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭,輕則個資外洩,重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV,業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略,確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程,到安全認證,這些努力,讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新,也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力,威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota,以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈,更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴,以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈,並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產,驗證其流程與品質。

毫無疑問,未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷,交由電腦判斷,比交由人類駕駛還要安全的那一天,離我們不遠了。而人類的角色,將從操作者轉為監督者,負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全,人類甘願當一個「最弱兵器」,其實也不錯!

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秋天的顏色「楓紅」其實不單指紅色?——《樹葉物語》
時報出版_96
・2023/10/28 ・2202字 ・閱讀時間約 4 分鐘

當秋風吹起,樹木們便開始褪去辛苦製造養分的夏天之綠,露出隱藏在葉片之間的枝頭。楓紅可說是樹木結束一年勞動後展開的慶典。樹木是靠光照生存的生命體,而在入秋後舉行的色彩慶典則是展示這一點的美麗佐證。

秋風一吹,從春天到夏天一路靠光照生存下來的樹木會先結果,雖然結得緩慢,結出來的果實卻比一年中任何時候都飽滿、結實。此時所有樹木都會長出纍纍果實。果實的顏色會根據秋天的腳步快速變化。從黃到紅,或是從晶瑩的紫色到漆黑的黑色,樹木們用各自的色彩結果。儘管大部分尚未熟透的果實多和樹葉一樣呈綠色,但之後會徐徐轉變成美麗又成熟的顏色。

楓紅不是只有紅色

比果實更早改變顏色的是葉子,也就是紅葉。提到「紅葉」,大家最先想起的應該是紅色的楓樹吧。當然,「丹」意指紅色*,但楓紅不是只有紅色,看到變黃的銀杏葉,我們也會說它「染成了紅葉」。歸根結柢,我們稱的「紅葉」泛指在秋天變換的所有顏色,英語國家稱紅葉為「Autumn color」(秋天的顏色),也是基於此因。

隨著秋風透進,倉促之間,葉子上浮出了數不勝數、五花八門的顏色。銀杏葉轉黃,槲櫟葉和栓皮櫟葉呈現明顯的紅褐色,掌葉槭的葉子則變得鮮紅。每種樹各有各的秋色。

也有樹木雖屬同種,紅葉顏色卻各不相同,代表性例子當屬櫸樹。櫸樹就算站在一起,紅葉的顏色也不一樣,這是櫸樹與眾不同的特點。也就是說,有染紅葉的櫸樹,也有以亮褐色度過秋天的櫸樹。

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紅葉的顏色會根據每棵樹的成分有所不同。以櫸樹而言,即便同樣是櫸樹,紅葉的顏色也有很多種。

產生離層進入冬眠

對樹木來說,秋天到底是個忙碌的時期,而且忙碌程度不亞於其他季節,因為必須為冬天這受苦受難的季節做好萬全準備。如果秋天活得太過鬆散,就無法抵擋即將面臨的北風寒雪,甚至可能喪命。為了在冬天放長假,樹木必須做很多事前準備。這是世世代代、戰勝了數千年冬天的樹木的過秋策略。

感受到秋天氣息的樹木本能地最先做的第一件事,就是在連接葉子和樹枝的葉柄基部形成新組織「離層」(因為是葉子掉落的地方,因此也稱「脫落區域」)。離層雖然細微,但能養出結實的體格。之所以用離層阻擋生命的通道,讓水不被拉上來,是因為樹木有信心,就算不再靠光合作用製造養分也能繼續結果實。懷著對一年持續下來的勞動和收尾的自信,樹木如同其他動物,準備進入冬眠。

圖/BuNa

最終,葉柄基部形成的離層會完全阻擋水和養分進出的通道。水本來順著樹皮的管道上下流動,樹皮對於樹身外部的氣溫變化最敏感,離層既然擋住了水的流動通道,水就再也無法從根部上來。這個策略是為了減去殘留在管道裡的水分,若水結成了冰,管道就會爆裂,稍有不慎還可能死亡,因此在氣溫降到攝氏零下之前,樹木必須把水清除乾淨。

落葉的防蟲效果

葉子一片又一片枯萎,需要陽光、二氧化碳與水才能進行的光合作用如今無法運作,負責行光合作用的綠色葉綠素失去活力而倒下,輪到楓紅展開色彩慶典了。

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由於每棵樹成分不同,葉子因之呈現黃色、紅色或褐色等五顏六色的色彩。像銀杏或刺槐一樣轉成強烈黃色的樹木含有類胡蘿蔔素的成分;像掌葉槭或衛矛等染成華麗紅色的樹木是因為內含許多花青素;像美國梧桐或櫟屬類一樣染成褐色的樹木成分中則有許多單寧。樹木們一整年下來不停地製造養分,養活這片土地上的生命,如今它們放下勞動的辛勞,準備進入冬眠。樹葉染上的顏色,是生命在苦日子之後製造出來的絢麗生命慶典。

為了進入冬眠,樹木還剩下一些事情需要收尾,那就是將美豔的紅葉落到地上,用乾枯的紅葉覆蓋根部附近的區域。各種顏色的楓紅當中,由花青素製造出來的紅葉們的策略最令人詫異。掉下來覆蓋住根部土壤的紅色落葉不久後就會變成灰褐色,因先前染到葉子上的紅色花青素滲入了樹根附近的土壤。花青素是一種抗氧化劑,具有強烈的抗氧化效果,在阻擋蚜蟲等害蟲侵襲方面也相當卓越。也就是說,樹木會中斷生命活動,像動物一樣進入冬眠,並在進入冬眠的無防備狀態下,將防治害蟲的成分落到根部附近,進行自我保護。

紅色落葉不久後就會變成灰褐色。圖/pexels

樹木一整年默默的生活就這樣結束,終於來到靜靜睡覺的時候了。樹木必須獨自在風雪交加的原野上戰勝寒風,這是它的宿命。雖然看似寧靜,但這一覺不能有一絲鬆懈。

世上所有生命都有各自的風采和美麗,在那份美麗之中,少不了生存的迫切。花、果實和紅葉,都是樹木做為一個生命,在這塊土地上為了生存而展開的吶喊。到了秋天,我們都應該走進染得紅通通的樹蔭下,久久地傾聽樹木演唱的生命之歌。

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——本文摘自《樹葉物語》,2023 年 5 月,時報出版,未經同意請勿轉載。

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時報出版_96
174 篇文章 ・ 35 位粉絲
出版品包括文學、人文社科、商業、生活、科普、漫畫、趨勢、心理勵志等,活躍於書市中,累積出版品五千多種,獲得國內外專家讀者、各種獎項的肯定,打造出無數的暢銷傳奇及和重量級作者,在台灣引爆一波波的閱讀議題及風潮。

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【成語科學】雨過天青:天空為什麼是藍色的?傍晚的橘紅色天空又是怎麼形成的?
張之傑_96
・2023/10/06 ・1183字 ・閱讀時間約 2 分鐘

下過雨後,天空藍得透明。這個自然現象,衍生出成語雨過天青,比喻情況由壞轉好。雨過天晴也有同樣的意思,不過仍以雨過天青較為正式。閒話少說,讓我們造兩個句吧。

這事挽救及時,現已雨過天青。

雨過天青,您的事可以放心了。

下過雨後,天空藍得透明。圖/pixabay

這個成語還有個故事呢。有一種瓷器,稱為雨過天青,起源於五代‧後周柴世宗。某日臣子請示,皇家瓷器要燒成什麼顏色?柴世宗隨手批示:「雨過天青雲破處,這般顏色作將來。」工匠經過多次實驗,終於燒製出來,這就是有名的「柴窯」。由於沒有作品傳世,柴窯的真面目已無從查考。

談到這裡,該談談這個成語的意涵了。大雨過後,天空為什麼藍得透明?這是因為空氣中的灰塵隨著雨下降下,空氣較為潔淨的關係。喜歡打破沙鍋問到底的小朋友或許還會問:為什麼空氣潔淨、天就較藍?

這要從天空為什麼呈藍色說起。空氣的成份,主要是氮氣和氧氣。晴天的時候,射到地球上的陽光碰到空氣中的氮分子或氧分子,會引起散射作用。藍光的波長較紅光短,散射得較厲害,看在我們眼裡,天空就成為藍色的。

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藍光的波長較紅光短,散射得較厲害,看在我們眼裡,天空就成為藍色的。圖/pixabay

這個道理看起來好像很簡單,但是人類明白這個道理是 19 世紀末的事。1873 年,英國物理學家瑞利是第一位看天看出名堂的人。他的散射理論——瑞利散射,破解了天色的秘密。

在陽光的七種色光中,紅、橙、黃光的波長較長,藍、靛、紫光的波長較短。空氣中的氧分子、氮分子,大小恰好可以散射波長較短的藍光,藍光散了一天,天空當然呈藍色的。

到了傍晚,夕陽西下,陽光打斜裡射過來,較接近地面,而地面的空氣含有較多的水氣和灰塵,粒子比氧分子、氮分子大得多,較容易散射波長較長的紅光、橙光或黃光,艷麗的晚霞就是這樣散射出來的。

陽光打斜裡射過來,而地面的空氣含有較多的水氣和灰塵,較容易散射波長較長的紅光、橙光或黃光。圖/pixabay

如果天上懸浮著小水滴,也就是雲,那又是另一種景象。小水滴比灰塵大得多,各種波長的色光都能被它散射,結果雲就成為白色的。如果雲層較厚較密,陽光穿不過去,就變成了灰色或黑色。白雲蒼狗,不過是陽光玩的把戲而已!

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當雲聚成雨滴的時候,顆粒就更大了,大得具有稜鏡的作用。倘若一邊已出太陽,一邊還在下雨,陽光穿過雨滴,就會形成彩虹。噴泉和瀑布上也可以出現彩虹,原理是一樣的。

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