天空的颜色

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  为什么天空是蓝色的,云是白色的、灰色的或黑色的?为什么日落是红色的?为什么夜晚是黑色的?彩虹从何而来?这些现象在很大程度上是由于太阳光与地球大气层各组成部分(各种大小的水滴、气体分子、尘埃等)的相互作用、吸收和散射造成的。这些机制造成天空有不同颜色和产生了许多壮观的现象,例如布洛肯光谱。

1. 光的本质

  在标题照片中可见的地球的大气层(请阅读:地球的大气层和气态包裹层)赋予天空以色彩,并产生令人惊奇的光现象,如海市蜃楼和彩虹。有些现象我们如此熟悉,以至于我们常常认为它们是理所当然的。为什么晴天时天空是蓝色的?为什么日落是红色的?为什么夜晚是黑色的?所有这些问题看起来都很幼稚,但它们的答案并不简单,而且涉及到我们将试图阐明的物理现象。为此,让我们回顾一下光的构成,首先要回顾一下电磁波的性质及其传播模式。

环境百科全书-天空-电磁波在给定时间内沿Oz方向传播的示意图
图1. 电磁波在给定时间内沿Oz方向传播的示意图。

  光是电磁波的叠加。这样的波包括以相同频率振荡的电场(标记为E)和磁场(标记为B)。这两个场彼此垂直,并在与它们的方向正交的第三个z方向上传播,如图1所示。电磁波以一定速度进行传播,其速度通常被称为波速,它的大小取决于所处的环境。真空中该速度为 c = 3×108m/s(米/秒)。波长λ是两个连续的场最大值之间的距离。在给定的点上,这些场以周期T进行周期振荡,周期T以秒为单位。波长是该周期与速度的乘积:λ = cT。它以米(m)或其约数之一表示:微米(1µm = 10-6m)或纳米(1nm = 10-9m),单位量纲取决于要研究现象的特征尺度。波形的特征还可以用频率ν表征,它的周期为ν=1/T的倒数,以赫兹(Hz)表示。1Hz对应于周期T = 1s。

  电磁波谱表示所有电磁波根据其波长或频率的分布,如图2所示,这种光谱有相当大的范围,在γ射线的最短波长(10-14m<λ<10-12m)和无线电波的最长波长(10-1m<λ<104m)之间变化1018个数量级。

环境百科全书-天空-电磁波普
图2. 电磁波谱。
环境百科全书-天空-可见光光谱
图3. 可见光光谱图。

  可见光区域对应于我们肉眼可感知光谱中非常狭窄的部分,其位于紫光(λ = 0.4μm)和红光(λ = 0.8μm)之间(图3)。在这个区域内,太阳辐射在λ = 0.5μm附近达到最大强度。而白光是可见光光谱中所有波长的波的叠加。

  事实上,光有两种性质(波粒二象性),即上面描述的波的性质和在太阳与地球大气层之间的能量交换中表现出粒子的性质,这种发挥作用的小球被称为“能量粒子”或称为“光子”。每个光子都携带一个与其电磁波频率成正比的能量量子,其能量记为E = hν,其中h是普朗克常数,h =  6.625 10-34 J.s(焦耳秒)。因此,从该公式中可以得知短波(高频)光子比长波(低频)光子携带更多的能量。太阳辐射与地球大气之间的能量交换便是通过吸收或发射光子离散地进行地。

2. 太阳辐射与大气的相互作用

  当太阳光穿过大气层时,来自太阳的辐射(请阅读:太阳的能量)与存在的气态分子和颗粒物(水滴、灰尘和气溶胶等)相互作用,然后发生两个基本现象:吸收散射。当辐射被全部或部分吸收时,太阳辐射与其相互作用的分子之间就会发生能量转移,这导致其在传播方向上的衰减。例如,平流层中的臭氧(请阅读:地球的大气层和气态包裹层)吸收几乎所有波长小于0.3µm的对生物非常有害的紫外线,因此我们需要保护该臭氧层。

  当辐射不被吸收时,它可以向各个方向偏转,这便是大气散射现象。其性质主要取决于以下几个因素:辐射波长、粒子和大气分子的密度和大小、穿过大气层的厚度。散射一般有三种类型:瑞利散射米氏散射(以发现和分析它们的人命名)和非选择性散射。这些散射的普遍作用程度取决于大气状态,如下所述。

3. 蓝天和瑞利散射

  瑞利散射是由于大气中存在的气态分子(O2,N2,CO2和水蒸气等)和非常小的尘埃颗粒引起的。当散射粒子的尺寸远小于辐射的波长时,就会发生瑞利散射。一般来说,这种引起散射的分子比纳米小,即比大约0.5微米的可见光波长小1000倍以上。

环境百科全书-天空-瑞利散射
图4. 瑞利散射,被电磁波激发的原子向各个方向重新发射一个波。

  当入射波入射时,入射波的振荡电场会使原子的电子云变形,这就是电子相对于带正电荷的原子核的负电荷质心(或重心)振荡的原因。带正电荷的原子核构成一个振荡的电偶极子,它充当一个微观的发射天线,向四面八方辐射。图4显示了在原子尺度上产生的偶极子,但是在分子尺度上也是同样的机制。

  需要注意的是,重新发射的电磁波与入射具有相同的频率,或者说散射光子与入射光子具有相同的能量。但是散射辐射的强度与入射辐射波长的4次方成反比,因此,它是一种与波长有关的选择性的散射现象,对于光谱中最短的波长的波(紫色、蓝色)而言它们散射强度更大,而由于紫光波长是红光波长的一半,所以紫光的漫反射率是红光的16倍。而可见光中蓝色散射最强,这也就解释了白天天空为什么是蓝色的。

  另一方面,在黎明和黄昏时,当太阳在较低地平线上时,太阳辐射到达我们眼睛要穿透大气层的厚度要比白天大得多,短波便被散射到各个方向了,这样观察者朝着太阳方向看到的主要是长波长的光,即与红色相关的波长,这也就是为什么天空在落山或升起的太阳方向上呈橘红色的原因。最后,应该注意的是,如果我们在宽广的日光下观察太阳方向的天空(这很危险),那么太阳就会显得白色,因为我们接收的直接透射光的强度要比散射光强得多。

4. 灰蒙蒙的天空和米氏散射

环境百科全书-天空-由于米氏的散射,格勒诺布尔上空的尘埃和污染物形成了灰蓝色的云
图5. 由于米氏的散射,格勒诺布尔上空的尘埃和污染物形成了灰蓝色的云。

  当大气中的粒子大小尺寸比辐射波长稍大或数量级相同时,瑞利散射就被米氏散射所取代。米氏散射的机制与性质和瑞利散射不同,它主要受到大气中的水滴、冰晶和气溶胶(尘埃、烟雾、花粉)影响。米氏散射与入射辐射的波长成反比,蓝色受到的影响较大但与瑞利散射相比不太明显。米氏散射更多地出现在气溶胶含量最高的低层大气,它使得天空呈现褪色蓝甚至灰色(图5)。天空所呈现的蓝色深浅程度取决于空气中的水蒸气和尘埃的数量,随着数量的增加,在所有波长上的散射都会增强,从而导致绿色和黄色的比例增加,使蓝色的色调更浅;另一方面,尘埃和水滴的减少会使得蓝色占主导地位,就像我们在高山上看到的天空一样。

5. 白云和非选择性散射

  当大气颗粒物的尺寸远大于辐射的波长时,就会发生非选择性散射。这主要是由在云雾中的水滴引起的(水滴的大小约为100微米)。非选择性散射会影响所有波长(故因此得名),它解释了云为什么是白色和雪为什么是白色的(因为光会被雪中毫米大小的晶体散射)。而当我们看到乌云时,是因为阳光被太阳与地面可见云之间的其他云吸收或散射,所以光透不过来才使得白云显得暗沉。图6总结和绘制了大气的不同散射模式,它们直接根据辐射的波长、入射角和散射粒子的性质来影响天空的颜色。

6. 为什么夜晚是黑色的?

环境百科全书-天空-大气中太阳辐射的不同散射类型
图6. 大气中太阳辐射的不同散射类型。

  在太空没有大气层的情况下,即使有来自于行星、恒星和太阳圆盘的其他光源,天空也显得全黑。我们可能也想知道为什么地表夜晚是黑色的,事实上,尽管其并不是完美且均匀的黑色,但仍有几种现象导致了这种黑色的出现:一方面,月亮和其他恒星发出很暗的光线到达我们的星球上导致上面现象出现;另一方面的原因来自于我们感知光的能力,即来自于我们的视网膜。它由视锥与视杆细胞组成,与视锥细胞不同,视杆细胞仅对微弱光线敏感,但是它们不能感知颜色(比如在黑暗中看到的所有的猫都是灰色的),而不像在较亮的光线下像视锥细胞一样对颜色敏感。然而即使在没有大气层的情况下,在一个恒星分布的广阔宇宙中,天空也不会完全是黑色的,因为来自所有遥远恒星发射的光会叠加产生一个均匀的光背景。这是我们可以在银河系形成的光盘中观察到的,在这个圆盘中恒星的密度很高。但是如果我们考虑了所有星系,光线也并不会是均匀的,这是因为另一个机制的存在:宇宙膨胀。星系距离我们越远,它们远离的速度就越快,他们的光向长波方向偏移也就越多,即从短波的蓝光变为红色甚至变为我们不可见的红外,这便是光的多普勒效应,其原理类似于使我们听到在接近或远离我们的车辆发出更高或更低音调的机制。

  在地球上我们可以观察并经常欣赏自然的光线主要来自我们的恒星——太阳。我们已经知道组成大气层的粒子、液滴或物体是如何影响天空的颜色的,这就是为什么地球经常称为蓝色行星(正如宇航员在太空中所看到的那样)。宇航员看不到陆地,对他们而言,海洋是一面反射蓝色大气图像的镜子,上面点缀着白色或灰色的云层。

 


译者:刘惠渊          编审:谭吉华教授         责任编辑:王文雯


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引用这篇文章: BELORIZKY Elie (2021), 天空的颜色, 环境百科全书,[在线ISSN 2555-0950]网址: https://www.encyclopedie-environnement.org/zh/air-zh/colours-sky/.

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