去年年底，PANTONE發布了2021年度流行色——極致灰（PANTONE 17-5104 Ultimate Gray）與(yu) 明亮黃（PANTONE 13-0647Illuminating），這是自2016年以後第二次年度流行色出現雙色組合。

極致灰與(yu) 明亮黃 | 圖片來源：PANTONE

隻不過，想不到天氣也成為(wei) 了年度流行色的時尚弄潮兒(er) …這場沙塵暴一來，天黃了，我灰了…沙塵暴一來，能見度說走就走，不少地區的能見度甚至小於(yu) 1000米，想開口挽留，卻隻能獨自體(ti) 會(hui) 吃土的滋味。

沙塵天氣

估計不少小夥(huo) 伴都借此新認識了一個(ge) 天氣符號，今天也是進步的一天呢！

通常，天氣發生變化時，人們(men) 都會(hui) 用“變天了”來形容，晴天時的天空一般是藍色，日出日落時又會(hui) 呈現出橙紅色，那麽(me) ，天的顏色為(wei) 什麽(me) 會(hui) 變來變去呢？發生沙塵暴時為(wei) 什麽(me) 又變紅了呢？

天空會(hui) 呈現出不同的顏色 |圖片來源：pixaby

光的顏色

在電磁波譜中，可見光是人眼可以感知的部分，可見光的波長範圍為(wei) 400～780 nm，不同波長代表著不同的顏色。例如，紅光為(wei) 622-780 nm，綠光為(wei) 492-577 nm，等等。

電磁波譜與(yu) 可見光波段

又學會(hui) 了一種對顏色的表述方式，以後可以說：我喝的是xxx nm的茶，你呢？

不同顏色所對應的波長範圍

在生活中，我們(men) 最常見的可見光譜就是彩虹啦~

圖片來源：pixaby

光的散射

我們(men) 平時所看到的“白光”則是眾(zhong) 多顏色光中的老大，也就是所有顏色光的集合。太陽光就是一種典型的白光，包含著各種顏色的光，但是，當太陽光經過大氣層到達地麵的過程中，一些成分的可見光會(hui) “走丟(diu) ”。

為(wei) 什麽(me) 有些光會(hui) “走丟(diu) ”呢？相信大家都記得小學科學星空体育官网入口网站——光會(hui) 發生反射、折射，而這些…都和我們(men) 今天討論的話題沒有關(guan) 係！

和今天話題有關(guan) 的是光的散射，是指光通過不均勻介質時一部分光偏離原方向傳(chuan) 播的現象，偏離原方向的光稱為(wei) 散射光。簡單地說，就是光“亂(luan) 了”。

丁達爾效應中的散射光 | 圖片來源：pixaby

說起丁達爾效應，回顧一下上節實驗課的重點！

用綠色激光照射在NaCl溶液裏，沒有看到光路

當激光照射在牛奶與(yu) 水的混合溶液時，可以明顯看到光路

光的散射分為(wei) 3種類型——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長保持不變，而拉曼散射的散射光波長發生了變化，具有比入射光波長更長和更短的兩(liang) 部分。（拉曼散射光：我變了。）印度科學家拉曼（Raman）也因為(wei) 發現這一光的散射機製而獲得了1930年的諾貝爾物理學獎。

Emm…其實拉曼散射也和我們(men) 今天的話題不是特別相關(guan) ，瑞利散射和米氏散射才是今天的主角！

那麽(me) ，光什麽(me) 時候發生瑞利散射、什麽(me) 時候發生米氏散射呢？你可以把這當作一場比大小的遊戲！

圖片來源：pixaby

喂！不是這個(ge) ！

比大小的兩(liang) 個(ge) 對象是大氣中的粒子尺度和入射光的波長，當粒子尺度遠小於(yu) 入射光波長時（小於(yu) 波長的十分之一），則會(hui) 發生瑞利散射。

散射強度隨顆粒尺寸及光波長變化曲線 | 圖片來源^[1]

瑞利散射是指其散射光在入射光傳(chuan) 播方向和反方向上的程度是相同的，而在與(yu) 入射光線垂直的方向上程度最低。根據瑞利散射理論，散射光強度與(yu) 入射光的波長四次方成反比。也就是說，波長越短，散射強度越強。

瑞利散射示意圖 | 圖片來源^[1]

當粒子尺度接近或大於(yu) 入射光波長時產(chan) 生米氏散射，當發生米氏散射時，其各方向上的散射光強度是不一樣的，米氏散射的散射強度與(yu) 波長的二次方成反比。

米氏散射示意圖 | 圖片來源^[1]

擁有了光散射的星空体育官网入口网站，接下來讓我們(men) 向天空的顏色進發吧！

天空的顏色

讓我們(men) 回想一個(ge) 小時候的致命問題——天空為(wei) 什麽(me) 是藍色的？

當太陽光穿過大氣層時，發生瑞利散射，藍光波長短，散射強度更強，在散射光中，藍光占據優(you) 勢，因此天空呈現藍色，也就是其他顏色的光走“丟(diu) 了”。

但是，紫光的波長更短，為(wei) 什麽(me) 天空不是紫色呢？

這是由於(yu) ，在太陽光中，紫光的功率本來就比較低，除此之外，臭氧層會(hui) 強烈地吸收紫外線（包括紫色光），因此我們(men) 在地麵看到的天空不是紫色，而宇航員在太空看到的天空則是暗紫色。

有些小夥(huo) 伴可能會(hui) 疑問——可是，海水又為(wei) 什麽(me) 是藍色呢？與(yu) 太陽光穿過大氣層由於(yu) 散射得到篩選相似，太陽光照射到海水中被吸收的程度主要與(yu) 光的波長和海水的深度相關(guan) 。

紅光波長較長，散射強度弱，在入射到海水的過程中大部分被海水所吸收，而波長較短的藍光則散射強度強，吸收較弱，所以我們(men) 經常看到海水呈現藍色。另外一個(ge) 因素是水深, 水越深, 入射進海水中的光吸收越強。

圖片來源：pixaby

那麽(me) 朝陽和夕陽呢？為(wei) 什麽(me) 紅光占據了優(you) 勢？

圖片來源：pixaby

這是由於(yu) 在日出和日落時，太陽光是斜入射的，以很大的傾(qing) 角穿過大氣層到達地麵，經曆的大氣層厚度要遠比中午時（直入射）厚得多，所以波長較短的藍光、紫光等幾乎全部被散射掉，而剩下波長較長的橙光和紅光到達地麵，因而呈現出濃烈的紅橙色。

回到文章開頭，沙塵暴天氣時大氣中充滿大粒子塵埃，這時陽光散射特征主要是非選擇性散射，即散射粒子尺度比波長大得多時發生的散射，散射強度與(yu) 波長無關(guan) 。大粒子塵埃使非選擇性散射占據主導地位，天空不再因為(wei) 瑞利散射而呈現藍色，而是呈現出沙塵的顏色——土黃色。

圖片來源：pixaby

除此之外，奇異的顏色景觀還有很多，比如——超級藍血月！

圖片來源：pixaby

發生月全食時，月亮沒有消失，隻是亮度變暗，顏色變紅，因此被稱作“紅月亮”或“血月”。

這時，地球擋在了太陽和月亮之間，太陽光不能直射到月亮。隻有部分波段的太陽光能夠經過地球大氣層折射之後照到月亮上。

月全食

由於(yu) 光會(hui) 受到地球大氣中比波長更小的微粒（如氣體(ti) 分子）的散射，即瑞利散射，藍光基本上被散射掉，結果經地球大氣折射抵達月球上的光就主要以紅光為(wei) 主，所以月亮看起來就是“紅月亮”。

那…藍月亮又是怎麽(me) 回事呢？月亮：不是我，我不藍。

藍月亮的定義(yi) 有兩(liang) 種，一是指如果一個(ge) 天文季節中出現了四次滿月，那麽(me) 第三次滿月被稱作“藍月亮”、二是指一個(ge) 月的第二個(ge) 滿月稱作藍月亮。^[2]

除了藍、紅，還有綠色啊！愛是一道光！

圖片來源：pixaby

極光通常出現在南北兩(liang) 極附近地區，因為(wei) 其絢麗(li) 多彩而備受追捧。除綠色外，人們(men) 也曾觀測到紅色、藍色等其他顏色的極光，甚至同時夾雜不同的顏色。

根據小學量子力學星空体育官网入口网站，粒子能量最低的態稱為(wei) 基態，能量高於(yu) 基態的稱為(wei) 激發態。

圖片來源：pixaby

在基態和激發態之間切換時，會(hui) 吸收和發射特定波長的光，波長則由兩(liang) 種狀態之間的能量差所決(jue) 定。

極光的顏色會(hui) 與(yu) 這些吸收、釋放能量的過程有關(guan) 。海拔不同，成分也不同的大氣電離，導致了不同帶電粒子（氧離子羥基自由基等）的出現。

在最高海拔處，以原子氧為(wei) 主，受激發的原子氧躍遷時常發射波長為(wei) 630nm的光，呈現紅色，極光的顏色就會(hui) 呈現出紅色。原子氧的濃度很低，所以隻有在太陽活動很強烈的時期，才能看到紅色的極光。

當海拔高度較低時，粒子碰撞頻繁，抑製了形成紅光的過程，受激發的分子氮通過碰撞將能量傳(chuan) 遞給氧原子，此時微觀粒子的躍遷會(hui) 發射波長為(wei) 555.7nm的光，極光主要呈現出綠色。

或許在未來某個(ge) 瑞利散射占主導的中午，或許某個(ge) 米氏散射占主導的傍晚，也可能在南極大氣電離激發的自然現象的時候，你都可以帶著理工科的驕傲，向身邊的人搬出背後的原理，這也是一種浪漫，不是嗎？

參考文獻

[1]張珊珊.基於(yu) 光散射原理的尾氣顆粒物檢測技術研究[J].計算機與(yu) 數字工程,2019,47(05):1254-1257+1263.

[2]左文文.152年來首次“超級藍血月全食”,是怎麽(me) 形成的?[J].方圓,2018(04):8.

[3]王晴. 拉曼—偏振激光雷達的雲(yun) 相態探測與(yu) 識別[D].西安理工大學,2020.

[4]寶樂(le) 爾.阿拉善盟一次區域性大風沙塵暴天氣過程成因分析[J].幹旱區資源與(yu) 環境,2021,35(04):112-119.

[5]葉澍.海水到底是什麽(me) 顏色？[J].海洋世界,2016(04):6-7.

[6].極光的顏色是由哪些因素決(jue) 定的[J].青年科學,2004(12):50-51.



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