前几天,浙江舟山发生了一件怪事:傍晚的时候一大片天空变成了血红色。有人说这是火灾,有人说这是地震前兆,有人说是地磁活动或者太阳活动,还有人干脆说是UFO降临了。紧跟着,福州也出现了这种现象。
舟山血色天空
其实,官方媒体已经做出了说明:事发天空的位置刚好是舟山渔业公司的港口,港口上有艘远洋秋刀鱼捕鱼船,这种船有一百多个个灯杆,每个杆上有数片600瓦的捕鱼灯,捕鱼灯可以发出红光或者白光。当晚,刚好有渔业公司的人员在进行灯光测试,所以天空就被照红了。

秋刀鱼船的红色灯光
不过,灯光测试不是常见吗,为什么偏偏这次把天空照红了?
这其实是光线在特殊大气条件下造成的散射现象。本文希望通过简短的介绍,带着大家了解了解一下大气散射的基本原理,利用这个原理,我们不光能弄清楚此次红色天空的原理,还能解释为什么晴天的时候天空是蓝色的,为什么云是白色的,为什么朝阳和夕阳是红色的等问题。
一. 大气颗粒物
大家先思考一个问题:为什么在月亮上看天空,即使是白天,天空也是黑色的呢?这是因为:月球上没有大气。地球上大气中的颗粒物对光进行了散射,所以我们才看到天空整个都是明亮的。
大气中有哪些颗粒物呢?首先是气体分子,如氮气分子,氧气分子,还有二氧化碳分子、水蒸气分子等等,这些气体颗粒都很小,分子直径在1纳米(10-9m)以下。
大气主要由氮气和氧气组成
大气中还有一些大尺寸的颗粒。例如水蒸气液化形成的小水滴、近地面的灰尘颗粒等,它们的直径在微米量级(10-6m)。我们经常听说的pm2.5,就是直径为2.5微米的可吸入颗粒物。
二. 光的散射
光是一种电磁波,是电场和磁场相互激发形成的。电场和磁场都有波峰和波谷,两个相邻波峰之间的距离叫做一个波长。
可见光的波长范围大约是400纳米到700纳米,是气体分子直径的近千倍,但是可见光波长没有大气中的水滴和可吸入颗粒物的尺寸大。在可见光中,红光的波长最大,紫光波长最短,从红光到紫光依次是红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。
如果光照射到到大气中的各种尺寸的颗粒物上,一部分光就会被颗粒物吸收,转化成颗粒物的内能(热量),另一部分光会被颗粒物反弹后发射到其他方向,这就叫做光的散射。
光的散射
麦克斯韦发现了电磁波的普遍规律——麦克斯韦方程组,从这个方程出发,许多科学家求解出了颗粒物对光的散射规律。在颗粒物尺寸不一样的时候,规律有所差别,这也能解释不同天气条件下出现的不同现象。
三. 瑞利散射
在颗粒物的尺寸远远小于入射光波长时,散射称为瑞利散射,由著名科学家、第三代瑞利男爵发现。在晴朗干净的大气中,颗粒物主要是气体分子,直径远远小于可见光。当光线照射到这些颗粒物时,就会发生瑞利散射。
約翰·斯特拉特,第三代瑞利男爵
瑞利提出了瑞利散射公式,我们忽略公式中一些不好理解的项,主要探讨散射光强度I与波长λ和角度θ的关系:
(1) 瑞利散射时,不同方向的散射强度不同。观察公式中有cos2θ项,这造成了瑞利散射时前、后两个方向散射强度最大,侧向散射强度最小,散射强度分布成一个花生的形状。
瑞利散射的散射强度分布
(2)瑞利散射时散射强度I与入射光波长λ的四次方成反比。波长越短,散射光越强。大气中波长最短的光是蓝紫色,这种光散射能力最强。波长最长的光是红光,散射能力最差,最容易穿透大气。
短波长的光更容易被大气分子瑞利散射

而且,红光的波长是700多纳米,蓝光的波长大约是400多纳米,根据公式你很容易计算出:蓝光散射的能力是红光的9倍左右。
不同波长的光的瑞利散射能力
正是因为蓝光的散射能力强,所以在白天,白色的阳光穿过大气,蓝光被大气强烈散射,让天空中除了太阳之外其他的位置都变成了蓝色。长波长的光散射弱,更多直接穿透大气到达地面,如果直接看太阳,颜色是白色偏黄。
蓝光被散射,天空是蓝色,太阳是黄白色
且慢,我们说波长越短散射越强,那波长最短的可见光不是紫光吗?为什么天空不是紫色的?
这是因为:紫光在可见光中的能量比较少,而且,人的眼睛对紫色光也不敏感,所以虽然紫光散射比蓝光更强,但是我们却看不到紫色的天空。
阳光中不同波长的能量分布
利用瑞利散射还可以解释为什么朝阳和夕阳是红色的。在早晨和晚上,由于太阳高度角小,阳光需要穿透厚厚的大气层才能到达我们的眼睛,在这个过程中短波长的光几乎都被散射殆尽,能够到达我们眼睛的只剩下散射能力最差,波长最长的红光。
白天太阳是黄白色,傍晚太阳是红色
有时候,两种情况还会结合在一起:在太阳落山后,阳光通过大气的折射作用还能到达我们,此时低空是红色,高空是蓝色,形成非常漂亮的分层天空。
上层:蓝光散射形成蓝色;下层:红光穿透性强形成红色

在家里也可以通过实验模拟这个过程:在一个装水的鱼缸中滴入几滴牛奶,牛奶就形成了散射的颗粒物。再用一个发射白光的手电筒照射鱼缸,你会发现鱼缸中的水由于光的散射作用变成了蓝色。如果你从另一边观察手电筒的透射光,它会由于缺乏蓝光而变得偏黄。
模拟蓝天和黄日

四. 米散射
不过,天空不总是蓝色的。阴天、下雨的时候,天空总是白茫茫的一片,这是为什么? 我们需要用另一种散射——米散射来解释。
当颗粒物的尺寸相比于光的波长比较大,大约在0.1倍波长到100倍波长之间时,散射规律叫做米散射,由德国科学家古斯塔夫.米发现。
古斯塔夫.米
之前我们讲到:光是一种电磁波,满足麦克斯韦电磁学方程组。米从电磁学方程组出发,推导出了真空中球形颗粒物对光散射的完整规律,只需要给出散射球的半径、折射率和光的波长,就能唯一的计算出散射结果。看起来这是个非常漂亮的工作对吗?那请大家体会一下米散射方程吧。
米散射方程
在米散射方程中充斥了各种看不懂的字母,方程形式异常复杂,所以在散射物小,光的波长长时,我们一般使用米散射的近似结果——瑞利散射。而在颗粒物尺寸很大,光波长很短的时候,就是用另一种近似结果——几何光学。只有在颗粒物尺寸介于0.1倍光波长到100倍光波长之间时,我们才会被迫使用米散射。
米散射的特点和瑞利散射显著不同,瑞利散射是前后对称的,而米散射向前占优势,呈现出星状放射性的强度分布。
米散射典型情况
我们可以在不同颗粒物尺寸和光的波长时,计算球体的总散射强度,如下图所示:横坐标是颗粒物尺寸与光波长之比,纵坐标代表了散射强度。你会发现:米散射大约分成两个区域粒物比较小、光波长比较长时的瑞利散射区域和颗粒物比较大、光波长比较短时的米散射区域。
不同颗粒尺寸、波长时散射能力
而且,在瑞利散射时,光的波长越短,散射强度越大;但是到了米散射区域后,随着波长变化,散射强度几乎不变!这就是我们要的结论:当大气中的颗粒物达到光波长的十分之一以上时,不同颜色的光散射能力几乎没有差别。
用这个理论就能解释为什么云彩是白色的了。云彩是由许多小水滴构成的,这些小水滴尺寸很大,对光线产生米散射——各种颜色的光几乎等比例的散射。散射光依然各种成分都有,混合起来就是白光。在大雾天,上下都是白茫茫一片,也是因为空气中有大量的大尺寸水滴,对阳光发生了米散射。
云彩对阳光产生了米散射
用米散射理论就能解释舟山红色天空事件了。当时舟山地区有雾,空气中水量丰富,为米散射提供了很好的气象条件。此时渔船打开红色的灯光,这些红光照到空中,被水滴散射,向四面八方发射出去。进入到人们的眼睛,看上去就形成了红彤彤的一片。注意:假如没有雾,光线在大气中只能发生瑞利散射,而红光波常常,对瑞利散射的的穿透性很强,就容易直接穿透空气射向天空,没办法照亮一大片天空了,这就是没有雾的时候为什么不会出现这种情景。
我说的这些对不对呢?其实很好验证,做个实验就好了。5月10日,舟山渔业公司又开启了秋刀鱼船的捕鱼灯,结果天空再次变红,验证了之前的猜测。
秋刀鱼船
也许有同学会说:看起来这个现象并不复杂,只要有红色光源,大气中有足够大的颗粒就能出现,那为啥我从没看过红色天空?其实这个现象的确不罕见,你有没有在雾霾天开车的经历?在前车如果突然急刹车,或者交通灯红灯亮起,你的眼前可能一片红光,这就是雾霾对光的散射。
 雾天中的红灯
再比如澳大利亚和美国发生森林大火的时候,大量的灰尘颗粒被卷到天空中,天空也是血红色的。
美国大火中的城市天空
现在,你明白舟山和福州的“红色天空”是怎么回事了吗?

补充:如果小伙伴们想自己计算一下米散射,可以点击这个网站,只需要输入散射颗粒的直径、光的波长、折射率等信息,就能帮你算出各个方向的散射情况。
Omlc.org/calc/mie_calc.html
比如:我取颗粒物直径0.001微米,模拟大气分子。光的波长0.55微米,这是可见光的中值波长。
计算的结果如下图所示:
很明显,这是典型的瑞利散射。
如果我们把颗粒物尺寸改为1微米,其他条件不变,就会得到下面的图:
你看,这就是米散射的情况。
END
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