如果大氣層厚度改變,天空還是藍色的嗎?

✦✦ 為我們點亮小星星吧 ✦✦

親愛的觀眾朋友們,喜歡我們的文章的話,請為我們點亮小星星哦

ヾ(=・ω・=)o

在公眾號主頁點選右上角,將我們『設為星標』,篇篇文章,新鮮好看~

如果大氣層厚度改變,天空還是藍色的嗎?

在散射這一光學作用下,光線與大氣分子以及無數懸浮顆粒相遇,改變了能量和方向,向四周傳播開來。於是,晴空瀰漫成蔚藍,晚霞暈染出橙紅,海浪翻滾起潔白的浪花,微觀世界的每一絲波動都有可能引起大自然色彩的萬千變幻。那麼,散射分為哪幾種情況,我們在不同大氣層高度看天空,天空的顏色是一樣的嗎?又如果我們的大氣層厚度發生改變,天空還會是藍色的嗎?快來探究一下吧。

大氣散射,就是當光束遇到大氣分子或氣溶膠粒子時,光線會以質點為中心而向四周傳播開來的現象。常見的散射又分為三種類型:瑞利散射米散射拉曼散射。這三種現象結合起來可以解釋生活中的很多光學現象。

圖一 散射現象示意圖,太陽光照射到雲滴上,光線被打亂了,並向四面八方射去

首先,小編來給大家介紹我們最常聽到的瑞利散射。當粒子尺度遠遠小於入射光波長時(小於波長的十分之一),發生的散射即為瑞利散射,其各個方向上散射光強度是不一樣的,在光線入射方向,散射最強,在垂直入射光方向上,散射最弱(圖二左)。對於瑞利散射,其散射強度與入射光波長四次方成反比,如圖二右所示,即入射光波長越長,散射越弱(越不容易被粒子散射),穿透能力越強;波長越短,散射越強(越容易被粒子散射),穿透能力越弱。

圖二 瑞利散射示意圖(左),及瑞利散射強度隨波長的變化(右)

晴朗的天空中,塵埃和水汽都較少,以大氣分子為主。由於太陽光波長(400-800奈米)遠大於大氣分子(1奈米左右)直徑,故常發生瑞利散射。正午時,太陽光(各種頻率、顏色的光)直射大氣層,傳播一定的距離後,波長較短的藍光大部分被大氣分子散射到四面八方,而波長較長的紅光散射較少,因此我們看到的天空就是藍色的。由於太陽輻射中的藍紫光都被散射掉了,所以當我們直接觀察太陽時,太陽就呈現了互補色,也就是黃色。

圖三   太陽光入射大氣層示意圖

圖三 太陽光入射大氣層示意圖

清晨或傍晚時,太陽光斜射大氣層,光路走過的路程較中午更長,在大氣層上部藍光幾乎被散射殆盡,隨著光線繼續向地面傳播,大氣就主要散射紅光,因此朝霞和晚霞是紅色的(圖四)。

圖四 傍晚的天空,大氣上部主要散射藍光,低層大氣主要散射紅光。我們站在地面上,就會看見紅色的朝霞和晚霞。

到這裡也許大家會好奇,紫光波長比藍光更短,應該更加容易被散射,但天空為什麼不是紫色的呢?這裡原因有三,第一,根據太陽輻射光譜,各波長輻射強度不同,紫光輻射強度低於藍光(圖五),所以到達我們眼中的紫光能量是很微弱的;第二,臭氧層也會強烈吸收紫外線(包括紫光);第三,人眼對紫光不夠敏感。

圖五 太陽輻射光譜

圖五 太陽輻射光譜

瑞利散射是當粒子遠小於入射光波長時發生的現象。如果粒子尺度接近或大於入射光波長,散射的光強在各方向是不對稱的,其中大部分入射光線沿著前進方向進行散射(圖六),這樣的現象稱為米散射。米散射(圖六黃色區域)強度比瑞利散射(圖六藍色區域)強得多,且散射強度隨波長的變化不如瑞利散射劇烈,當波長逐漸增大,散射強度以震動形式趨於一定值。

圖六 米散射與瑞利散射對比

圖六 米散射與瑞利散射對比

天空中的雲朵是由大量小水滴和小冰晶聚集形成的,它們的直徑多為0.01-0.1mm,比太陽光波長更長。於是,當光透過雲彩時,便會發生米散射,各個波長的光散射強度差異不大,它們混合在一起,就會使散射光和太陽光一樣呈現白色,我們看到的雲朵就多為白色。降水快要發生時,大氣水汽含量較高,雲中凝結的小水滴越來越大,對太陽光的折射和吸收效應增強,雲朵就變暗了,這就是我們看到的烏雲。同理,汙濁的大氣中,塵埃粒子更多,它們多為直徑較大的顆粒,此時光線也會發生米散射,白色的散射光充斥空中,天空看起來就灰濛濛的。

米散射和瑞利散射均為彈性散射,也就是說,在傳播過程中光束的頻率和能量不發生變化,在遠端發射紅光,人眼所見即為紅光。如果在透明介質傳播時,光束的頻率發生了改變,比如在圖七中,激發光為綠色,但在光束中間我們看到的顏色是黃色和紅色,這種現象就稱為拉曼散射,它是非彈性散射中的一種。拉曼散射強度很弱,約為瑞利散射的千分之一。

圖七 拉曼散射效應(圖源:小紅書@shuihua)

最後給大家解答我們開始的兩個提問:

(1)如果我們在不同大氣層高度看天空,天空的顏色是一樣的嗎?

大氣密度隨高度急劇降低,即高層大氣中氣體分子較少,低層大氣中氣體分子較多。故自低層向高層,大氣分子的散射效應相應減弱,天空的顏色也隨高度由蔚藍色變為青色(約 8km)、暗青色(約 11km)、 暗紫色(約 13km)、黑紫色(約 21km),再往上,空氣非常稀薄,大氣分子的散射效應極其微弱,天空便為黑暗所湮沒。

(2)如果我們的大氣層厚度發生改變,天空還會是藍色的嗎?

實際上,我們看到天空最常呈現兩種顏色(藍色和紅色),有一個隱含條件,就是大氣層厚度不發生改變。如果大氣層變厚一些,大氣分子對陽光的散射、反射和吸收增強,我們眼中的天空顏色就會變淡、變暗一些,或近似白色。如果變得無窮厚,便不會有光透射。如果大氣層變薄,此時更多散射的則是比藍光波長更短一點的光,那麼我們看到天空的顏色會更深一些,呈現深藍色。

參考文獻

1.《大氣物理學》,盛裴軒等,北京大學出版社

2. 百度百科:瑞利散射,米散射

3. 技術美術個人筆記(八)——瑞利散射與米氏散射, CSDN

近期文章

噓,我在高原挖「海鮮」!

色相如天——青金石

流浪地球II: 月球上的坎帕努斯, 科幻與現實的交織

土耳其地震前三天已被預言?天體預測地震靠譜嗎?

石頭

DR.STONE

工作室

科普

撰稿:楊柳

美編:怪伽cc

DR.STONE · 致力於地球和空間科學科普

你「在看」我嗎?

你「在看」我嗎?

相關文章

特提斯,神秘的語境

特提斯,神秘的語境

✦✦ 為我們點亮小星星吧 ✦✦ 親愛的觀眾朋友們,喜歡我們的文章的話,請為我們點亮小星星哦 ヾ(=・ω・=)o 在公眾號主頁點選右上角,將我...

兩張照片是如何讓金星的火山現形的

兩張照片是如何讓金星的火山現形的

✦✦ 為我們點亮小星星吧 ✦✦ 親愛的觀眾朋友們,喜歡我們的文章的話,請為我們點亮小星星哦 ヾ(=・ω・=)o 在公眾號主頁點選右上角,將我...

聽說地震也有「密集恐懼症」?

聽說地震也有「密集恐懼症」?

✦✦ 為我們點亮小星星吧 ✦✦ 親愛的觀眾朋友們,喜歡我們的文章的話,請為我們點亮小星星哦 ヾ(=・ω・=)o 在公眾號主頁點選右上角,將我...

「吃」銅的草你見過嗎?

「吃」銅的草你見過嗎?

✦✦ 為我們點亮小星星吧 ✦✦ 親愛的觀眾朋友們,喜歡我們的文章的話,請為我們點亮小星星哦 ヾ(=・ω・=)o 在公眾號主頁點選右上角,將我...

玩陀螺嗎?地球那麼大的哦

玩陀螺嗎?地球那麼大的哦

✦✦ 為我們點亮小星星吧 ✦✦ 親愛的觀眾朋友們,喜歡我們的文章的話,請為我們點亮小星星哦 ヾ(=・ω・=)o 在公眾號主頁點選右上角,將我...

礦物顏料那些事——熠熠金輝

礦物顏料那些事——熠熠金輝

✦✦ 為我們點亮小星星吧 ✦✦ 親愛的觀眾朋友們,喜歡我們的文章的話,請為我們點亮小星星哦 ヾ(=・ω・=)o 在公眾號主頁點選右上角,將我...

火山噴發對大氣影響真的很大嗎?

火山噴發對大氣影響真的很大嗎?

✦✦ 為我們點亮小星星吧 ✦✦ 親愛的觀眾朋友們,喜歡我們的文章的話,請為我們點亮小星星哦 ヾ(=・ω・=)o 在公眾號主頁點選右上角,將我...

噓,我在高原挖「海鮮」!

噓,我在高原挖「海鮮」!

✦✦ 為我們點亮小星星吧 ✦✦ 親愛的觀眾朋友們,喜歡我們的文章的話,請為我們點亮小星星哦 ヾ(=・ω・=)o 在公眾號主頁點選右上角,將我...

色相如天——青金石

色相如天——青金石

✦✦ 為我們點亮小星星吧 ✦✦ 親愛的觀眾朋友們,喜歡我們的文章的話,請為我們點亮小星星哦 ヾ(=・ω・=)o 在公眾號主頁點選右上角,將我...

吃鈣片嗎?能看見地球演化的那種

吃鈣片嗎?能看見地球演化的那種

✦✦ 為我們點亮小星星吧 ✦✦ 親愛的觀眾朋友們,喜歡我們的文章的話,請為我們點亮小星星哦 ヾ(=・ω・=)o 在公眾號主頁點選右上角,將我...