本文来自微信公众号：中科院物理所（ID：cas-iop），作者：Norma，原文标题：《天：我黄了？我慌了！》，题图来自：视觉中国


去年年底，PANTONE发布了2021年度流行色——极致灰（PANTONE 17-5104 Ultimate Gray）与明亮黄（PANTONE 13-0647 Illuminating），这是自2016年以后第二次年度流行色出现双色组合。


极致灰与明亮黄 | 图片来源：PANTONE


只不过，想不到天气也成为了年度流行色的时尚弄潮儿。这场沙尘暴一来，天黄了，我灰了……沙尘暴一来，能见度说走就走，不少地区的能见度甚至小于1000米，想开口挽留，却只能独自体会吃土的滋味。


估计不少小伙伴都借此新认识了一个天气符号，今天也是进步的一天呢！



通常，天气发生变化时，人们都会用“变天了”来形容，晴天时的天空一般是蓝色，日出日落时又会呈现出橙红色，那么，天的颜色为什么会变来变去呢？发生沙尘暴时为什么又变黄了呢？


光的颜色


在电磁波谱中，可见光是人眼可以感知的部分，可见光的波长范围为400nm~780nm，不同波长代表着不同的颜色。例如，红光为622nm~780nm，绿光为492nm~577 nm，等等。


电磁波谱与可见光波段


又学会了一种对颜色的表述方式，以后可以说：我喝的是xxx nm的茶，你呢？


不同颜色所对应的波长范围


光的散射


我们平时所看到的“白光”则是众多颜色光中的老大，也就是所有颜色光的集合。太阳光就是一种典型的白光，包含着各种颜色的光，但是，当太阳光经过大气层到达地面的过程中，一些成分的可见光会“走丢”。


为什么有些光会“走丢”呢？相信大家都记得小学科学知识——光会发生反射、折射，而这些……都和我们今天讨论的话题没有关系！


和今天话题有关的是光的散射，是指光通过不均匀介质时一部分光偏离原方向传播的现象，偏离原方向的光称为散射光。简单地说，就是光“乱了”。


说起丁达尔效应，回顾一下上节实验课的重点！


用绿色激光照射在NaCl溶液里，没有看到光路；当激光照射在牛奶与水的混合溶液时，可以明显看到光路


光的散射分为3种类型——瑞利散射、米氏散射和拉曼散射。其中，瑞利散射和米氏散射的散射光波长保持不变，而拉曼散射的散射光波长发生了变化，具有比入射光波长更长和更短的两部分（拉曼散射光：我变了）。印度科学家拉曼（Raman）也因为发现这一光的散射机制而获得了1930年的诺贝尔物理学奖。


其实拉曼散射也和我们今天的话题不是特别相关，瑞利散射和米氏散射才是今天的主角！


那么，光什么时候发生瑞利散射、什么时候发生米氏散射呢？你可以把这当作一场比大小的游戏！


比大小的两个对象是大气中的粒子尺度和入射光的波长，当粒子尺度远小于入射光波长时（小于波长的十分之一），则会发生瑞利散射。


散射强度随颗粒尺寸及光波长变化曲线 | 图片来源[1]


瑞利散射是指其散射光在入射光传播方向和反方向上的程度是相同的，而在与入射光线垂直的方向上程度最低。根据瑞利散射理论，散射光强度与入射光的波长四次方成反比。也就是说，波长越短，散射强度越强。


瑞利散射示意图 | 图片来源[1]


当粒子尺度接近或大于入射光波长时产生米氏散射，当发生米氏散射时，其各方向上的散射光强度是不一样的，米氏散射的散射强度与波长的二次方成反比。


米氏散射示意图 | 图片来源[1]


拥有了光散射的知识，接下来让我们向天空的颜色进发吧！


天空的颜色


让我们回想一个小时候的致命问题——天空为什么是蓝色的？


当太阳光穿过大气层时，发生瑞利散射，蓝光波长短，散射强度更强，在散射光中，蓝光占据优势，因此天空呈现蓝色，也就是其他颜色的光走“丢了”。


但是，紫光的波长更短，为什么天空不是紫色呢？


这是由于，在太阳光中，紫光的功率本来就比较低，除此之外，臭氧层会强烈地吸收紫外线（包括紫色光），因此我们在地面看到的天空不是紫色，而宇航员在太空看到的天空则是暗紫色。


有些小伙伴可能会疑问——可是，海水又为什么是蓝色呢？与太阳光穿过大气层由于散射得到筛选相似，太阳光照射到海水中被吸收的程度主要与光的波长和海水的深度相关。


红光波长较长，散射强度弱，在入射到海水的过程中大部分被海水所吸收，而波长较短的蓝光则散射强度强，吸收较弱，所以我们经常看到海水呈现蓝色。另外一个因素是水深, 水越深, 入射进海水中的光吸收越强。


那么朝阳和夕阳呢？为什么红光占据了优势？


这是由于在日出和日落时，太阳光是斜入射的，以很大的倾角穿过大气层到达地面，经历的大气层厚度要远比中午时（直入射）厚得多，所以波长较短的蓝光、紫光等几乎全部被散射掉，而剩下波长较长的橙光和红光到达地面，因而呈现出浓烈的红橙色。


回到文章开头，沙尘暴天气时大气中充满大粒子尘埃，这时阳光散射特征主要是非选择性散射，即散射粒子尺度比波长大得多时发生的散射，散射强度与波长无关。大粒子尘埃使非选择性散射占据主导地位，天空不再因为瑞利散射而呈现蓝色，而是呈现出沙尘的颜色——土黄色。


除此之外，奇异的颜色景观还有很多，比如——超级蓝血月！


发生月全食时，月亮没有消失，只是亮度变暗，颜色变红，因此被称作“红月亮”或“血月”。


这时，地球挡在了太阳和月亮之间，太阳光不能直射到月亮。只有部分波段的太阳光能够经过地球大气层折射之后照到月亮上。


由于光会受到地球大气中比波长更小的微粒（如气体分子）的散射，即瑞利散射，蓝光基本上被散射掉，结果经地球大气折射抵达月球上的光就主要以红光为主，所以月亮看起来就是“红月亮”。


那……蓝月亮又是怎么回事呢？月亮：不是我，我不蓝。


蓝月亮的定义有两种，一是指如果一个天文季节中出现了四次满月，那么第三次满月被称作“蓝月亮”，二是指一个月的第二个满月称作蓝月亮。[2]


除了蓝、红，还有绿色啊！爱是一道光！


极光通常出现在南北两极附近地区，因为其绚丽多彩而备受追捧。除绿色外，人们也曾观测到红色、蓝色等其他颜色的极光，甚至同时夹杂不同的颜色。


根据小学量子力学知识，粒子能量最低的态称为基态，能量高于基态的称为激发态。


在基态和激发态之间切换时，会吸收和发射特定波长的光，波长则由两种状态之间的能量差所决定。


极光的颜色会与这些吸收、释放能量的过程有关。海拔不同，成分也不同的大气电离，导致了不同带电粒子（氧离子羟基自由基等）的出现。


在最高海拔处，以原子氧为主，受激发的原子氧跃迁时常发射波长为630nm的光，呈现红色，极光的颜色就会呈现出红色。原子氧的浓度很低，所以只有在太阳活动很强烈的时期，才能看到红色的极光。


当海拔高度较低时，粒子碰撞频繁，抑制了形成红光的过程，受激发的分子氮通过碰撞将能量传递给氧原子，此时微观粒子的跃迁会发射波长为555.7nm的光，极光主要呈现出绿色。


或许在未来某个瑞利散射占主导的中午，或许某个米氏散射占主导的傍晚，也可能在南极大气电离激发的自然现象的时候，你都可以带着理工科的骄傲，向身边的人搬出背后的原理，这也是一种浪漫，不是吗？


参考文献

[1]张珊珊.基于光散射原理的尾气颗粒物检测技术研究[J].计算机与数字工程,2019,47(05):1254-1257+1263.

[2]左文文.152年来首次“超级蓝血月全食”,是怎么形成的?[J].方圆,2018(04):8.

[3]王晴. 拉曼—偏振激光雷达的云相态探测与识别[D].西安理工大学,2020.

[4]宝乐尔.阿拉善盟一次区域性大风沙尘暴天气过程成因分析[J].干旱区资源与环境,2021,35(04):112-119.

[5]叶澍.海水到底是什么颜色？[J].海洋世界,2016(04):6-7.

[6].极光的颜色是由哪些因素决定的[J].青年科学,2004(12):50-51.


本文来自微信公众号：中科院物理所（ID：cas-iop），作者：Norma