如果大气层厚度改变,天空还是蓝色的吗?
The following article is from 石头科普工作室 Author 杨柳
如果大气层厚度改变,天空还是蓝色的吗?
在散射这一光学作用下,光线与大气分子以及无数悬浮颗粒相遇,改变了能量和方向,向四周传播开来。于是,晴空弥漫成蔚蓝,晚霞晕染出橙红,海浪翻滚起洁白的浪花,微观世界的每一丝波动都有可能引起大自然色彩的万千变幻。那么,散射分为哪几种情况,我们在不同大气层高度看天空,天空的颜色是一样的吗?又如果我们的大气层厚度发生改变,天空还会是蓝色的吗?快来探究一下吧。
大气散射,就是当光束遇到大气分子或气溶胶粒子时,光线会以质点为中心而向四周传播开来的现象。常见的散射又分为三种类型:瑞利散射、米散射和拉曼散射。这三种现象结合起来可以解释生活中的很多光学现象。
图一 散射现象示意图,太阳光照射到云滴上,光线被打乱了,并向四面八方射去
首先,小编来给大家介绍我们最常听到的瑞利散射。当粒子尺度远远小于入射光波长时(小于波长的十分之一),发生的散射即为瑞利散射,其各个方向上散射光强度是不一样的,在光线入射方向,散射最强,在垂直入射光方向上,散射最弱(图二左)。对于瑞利散射,其散射强度与入射光波长四次方成反比,如图二右所示,即入射光波长越长,散射越弱(越不容易被粒子散射),穿透能力越强;波长越短,散射越强(越容易被粒子散射),穿透能力越弱。
图二 瑞利散射示意图(左),及瑞利散射强度随波长的变化(右)
晴朗的天空中,尘埃和水汽都较少,以大气分子为主。由于太阳光波长(400-800纳米)远大于大气分子(1纳米左右)直径,故常发生瑞利散射。正午时,太阳光(各种频率、颜色的光)直射大气层,传播一定的距离后,波长较短的蓝光大部分被大气分子散射到四面八方,而波长较长的红光散射较少,因此我们看到的天空就是蓝色的。由于太阳辐射中的蓝紫光都被散射掉了,所以当我们直接观察太阳时,太阳就呈现了互补色,也就是黄色。
图三 太阳光入射大气层示意图
清晨或傍晚时,太阳光斜射大气层,光路走过的路程较中午更长,在大气层上部蓝光几乎被散射殆尽,随着光线继续向地面传播,大气就主要散射红光,因此朝霞和晚霞是红色的(图四)。
图四 傍晚的天空,大气上部主要散射蓝光,低层大气主要散射红光。我们站在地面上,就会看见红色的朝霞和晚霞。
到这里也许大家会好奇,紫光波长比蓝光更短,应该更加容易被散射,但天空为什么不是紫色的呢?这里原因有三,第一,根据太阳辐射光谱,各波长辐射强度不同,紫光辐射强度低于蓝光(图五),所以到达我们眼中的紫光能量是很微弱的;第二,臭氧层也会强烈吸收紫外线(包括紫光);第三,人眼对紫光不够敏感。
图五 太阳辐射光谱
瑞利散射是当粒子远小于入射光波长时发生的现象。如果粒子尺度接近或大于入射光波长,散射的光强在各方向是不对称的,其中大部分入射光线沿着前进方向进行散射(图六),这样的现象称为米散射。米散射(图六黄色区域)强度比瑞利散射(图六蓝色区域)强得多,且散射强度随波长的变化不如瑞利散射剧烈,当波长逐渐增大,散射强度以震动形式趋于一定值。
图六 米散射与瑞利散射对比
天空中的云朵是由大量小水滴和小冰晶聚集形成的,它们的直径多为0.01-0.1mm,比太阳光波长更长。于是,当光透过云彩时,便会发生米散射,各个波长的光散射强度差异不大,它们混合在一起,就会使散射光和太阳光一样呈现白色,我们看到的云朵就多为白色。降水快要发生时,大气水汽含量较高,云中凝结的小水滴越来越大,对太阳光的折射和吸收效应增强,云朵就变暗了,这就是我们看到的乌云。同理,污浊的大气中,尘埃粒子更多,它们多为直径较大的颗粒,此时光线也会发生米散射,白色的散射光充斥空中,天空看起来就灰蒙蒙的。
米散射和瑞利散射均为弹性散射,也就是说,在传播过程中光束的频率和能量不发生变化,在远端发射红光,人眼所见即为红光。如果在透明介质传播时,光束的频率发生了改变,比如在图七中,激发光为绿色,但在光束中间我们看到的颜色是黄色和红色,这种现象就称为拉曼散射,它是非弹性散射中的一种。拉曼散射强度很弱,约为瑞利散射的千分之一。
图七 拉曼散射效应(图源:小红书@shuihua)
最后给大家解答我们开始的两个提问:
(1) 如果我们在不同大气层高度看天空,天空的颜色是一样的吗?
大气密度随高度急剧降低,即高层大气中气体分子较少,低层大气中气体分子较多。故自低层向高层,大气分子的散射效应相应减弱,天空的颜色也随高度由蔚蓝色变为青色(约 8km)、暗青色(约 11km)、 暗紫色(约 13km)、黑紫色(约 21km),再往上,空气非常稀薄,大气分子的散射效应极其微弱,天空便为黑暗所湮没。
(2) 如果我们的大气层厚度发生改变,天空还会是蓝色的吗?
实际上,我们看到天空最常呈现两种颜色(蓝色和红色),有一个隐含条件,就是大气层厚度不发生改变。如果大气层变厚一些,大气分子对阳光的散射、反射和吸收增强,我们眼中的天空颜色就会变淡、变暗一些,或近似白色。如果变得无穷厚,便不会有光透射。如果大气层变薄,此时更多散射的则是比蓝光波长更短一点的光,那么我们看到天空的颜色会更深一些,呈现深蓝色。
参考文献
1.《大气物理学》,盛裴轩等,北京大学出版社
2. 百度百科:瑞利散射,米散射
3. 技术美术个人笔记(八)——瑞利散射与米氏散射, CSDN
本文转载自《石头科普工作室》微信公众号
//《物理》50年精选文章
我对吴有训、叶企孙、萨本栋先生的点滴回忆 | 《物理》50年精选文章
国立西南联合大学物理系——抗日战争时期中国物理学界的一支奇葩(Ⅰ) | 《物理》50年精选文章
国立西南联合大学物理系——抗日战争时期中国物理学界的一支奇葩(Ⅱ) | 《物理》50年精选文章
原子核裂变的发现:历史与教训——纪念原子核裂变现象发现60周年 | 《物理》50年精选文章
回顾与展望——纪念量子论诞生100周年 | 《物理》50年精选文章
中国理论物理学家与生物学家结合的典范——回顾汤佩松和王竹溪先生对植物细胞水分关系研究的历史性贡献(上) |《物理》50年精选文章
中国理论物理学家与生物学家结合的典范——回顾汤佩松和王竹溪先生对植物细胞水分关系研究的历史性贡献(下) |《物理》50年精选文章
为了忘却的怀念——回忆晚年的叶企孙 | 《物理》50年精选文章
从分子生物学的历程看学科交叉——纪念金螺旋论文发表50周年 | 《物理》50年精选文章
美丽是可以表述的——描述花卉形态的数理方程 | 《物理》50年精选文章
一本培养了几代物理学家的经典著作 ——评《晶格动力学理论》 |《物理》50年精选文章
熵非商——the Myth of Entropy |《物理》50年精选文章
普渡琐记——从2010年诺贝尔化学奖谈起 |《物理》50年精选文章
天气预报——由经验到物理数学理论和超级计算 | 《物理》50年精选文章
纪念Bohr的《伟大的三部曲》发表100周年暨北京大学物理专业建系100周年 | 《物理》50年精选文章
凝聚态材料中的拓扑相与拓扑相变——2016年诺贝尔物理学奖解读 |《物理》50年精选文章
通用量子计算机和容错量子计算——概念、现状和展望 | 《物理》50年精选文章
谈书说人之一:《理论物理学教程》是怎样写成的?| 《物理》50年精选文章
时空奇点和黑洞 ——2020年诺贝尔物理学奖解读 |《物理》50年精选文章
凝聚态物理学的新篇章——超越朗道范式的拓扑量子物态 | 《物理》50年精选文章
对于麦克斯韦方程组,洛伦兹变换的低速极限是伽利略变换吗?| 《物理》50年精选文章
杨振宁先生的研究品味和风格及其对培育杰出人才的启示 | 《物理》50年精选文章
庞加莱的狭义相对论之一:洛伦兹群的发现 | 《物理》50年精选文章