前幾天，浙江舟山發(fā)生了一件怪事：傍晚的時候一大片天空變成了血紅色。有人說這是火災(zāi)，有人說這是地震前兆，有人說是地磁活動或者太陽活動，還有人干脆說是UFO降臨了。緊跟著，福州也出現(xiàn)了這種現(xiàn)象。

其實，官方媒體和氣象專家已經(jīng)做出了說明：事發(fā)天空的位置剛好是舟山漁業(yè)公司的港口，港口上有艘遠(yuǎn)洋秋刀魚捕魚船，這種船有一百多個個燈桿，每個桿上有數(shù)片600瓦的捕魚燈，捕魚燈可以發(fā)出紅光或者白光。當(dāng)晚，剛好有漁業(yè)公司的人員在進(jìn)行燈光測試，所以天空就被照紅了。

不過，燈光測試不是常見嗎，為什么偏偏這次把天空照紅了？

這其實是光線在特殊大氣條件下造成的散射現(xiàn)象。本文希望通過簡短的介紹，帶著大家了解了解一下大氣散射的基本原理，利用這個原理，我們不光能弄清楚此次紅色天空的原理，還能解釋為什么晴天的時候天空是藍(lán)色的，為什么云是白色的，為什么朝陽和夕陽是紅色的等問題。

一. 大氣顆粒物

大家先思考一個問題：為什么在月亮上看天空，即使是白天，天空也是黑色的呢？這是因為：月球上沒有大氣。地球上大氣中的顆粒物對光進(jìn)行了散射，所以我們才看到天空整個都是明亮的。

大氣中有哪些顆粒物呢？首先是氣體分子，如氮?dú)夥肿?，氧氣分子，還有二氧化碳分子、水蒸氣分子等等，這些氣體顆粒都很小，分子直徑在1納米（10??m）以下。

二. 光的散射

光是一種電磁波，是電場和磁場相互激發(fā)形成的。電場和磁場都有波峰和波谷，兩個相鄰波峰之間的距離叫做一個波長。

可見光的波長范圍大約是400納米到700納米，是氣體分子直徑的近千倍，但是可見光波長沒有大氣中的水滴和可吸入顆粒物的尺寸大。在可見光中，紅光的波長最大，紫光波長最短，從紅光到紫光依次是紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫。

如果光照射到到大氣中的各種尺寸的顆粒物上，一部分光就會被顆粒物吸收，轉(zhuǎn)化成顆粒物的內(nèi)能（熱量），另一部分光會被顆粒物反彈后發(fā)射到其他方向，這就叫做光的散射。

麥克斯韋發(fā)現(xiàn)了電磁波的普遍規(guī)律——麥克斯韋方程組，從這個方程出發(fā)，許多科學(xué)家求解出了顆粒物對光的散射規(guī)律。在顆粒物尺寸不一樣的時候，規(guī)律有所差別，這也能解釋不同天氣條件下出現(xiàn)的不同現(xiàn)象。

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三. 瑞利散射

在顆粒物的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于入射光波長時，散射稱為瑞利散射，由著名科學(xué)家、第三代瑞利男爵發(fā)現(xiàn)。在晴朗干凈的大氣中，顆粒物主要是氣體分子，直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于可見光。當(dāng)光線照射到這些顆粒物時，就會發(fā)生瑞利散射。

瑞利提出了瑞利散射公式，我們忽略公式中一些不好理解的項，主要探討散射光強(qiáng)度I與波長λ和角度θ的關(guān)系：

（1） 瑞利散射時，不同方向的散射強(qiáng)度不同。觀察公式中有cos^2?θ項，這造成了瑞利散射時前、后兩個方向散射強(qiáng)度最大，側(cè)向散射強(qiáng)度最小，散射強(qiáng)度分布成一個花生的形狀。

（2）瑞利散射時散射強(qiáng)度I與入射光波長λ的四次方成反比。波長越短，散射光越強(qiáng)。大氣中波長最短的光是藍(lán)紫色，這種光散射能力最強(qiáng)。波長最長的光是紅光，散射能力最差，最容易穿透大氣。

而且，紅光的波長是700多納米，藍(lán)光的波長大約是400多納米，根據(jù)公式你很容易計算出：藍(lán)光散射的能力是紅光的9倍左右。

正是因為藍(lán)光的散射能力強(qiáng)，所以在白天，白色的陽光穿過大氣，藍(lán)光被大氣強(qiáng)烈散射，讓天空中除了太陽之外其他的位置都變成了藍(lán)色。長波長的光散射弱，更多直接穿透大氣到達(dá)地面，如果直接看太陽，顏色是白色偏黃。

且慢，我們說波長越短散射越強(qiáng)，那波長最短的可見光不是紫光嗎？為什么天空不是紫色的？

這是因為：紫光在可見光中的能量比較少，而且，人的眼睛對紫色光也不敏感，所以雖然紫光散射比藍(lán)光更強(qiáng)，但是我們卻看不到紫色的天空。

利用瑞利散射還可以解釋為什么朝陽和夕陽是紅色的。在早晨和晚上，由于太陽高度角小，陽光需要穿透厚厚的大氣層才能到達(dá)我們的眼睛，在這個過程中短波長的光幾乎都被散射殆盡，能夠到達(dá)我們眼睛的只剩下散射能力最差，波長最長的紅光。

有時候，兩種情況還會結(jié)合在一起：在太陽落山后，陽光通過大氣的折射作用還能到達(dá)我們，此時低空是紅色，高空是藍(lán)色，形成非常漂亮的分層天空。

在家里也可以通過實驗?zāi)M這個過程：在一個裝水的魚缸中滴入幾滴牛奶，牛奶就形成了散射的顆粒物。再用一個發(fā)射白光的手電筒照射魚缸，你會發(fā)現(xiàn)魚缸中的水由于光的散射作用變成了藍(lán)色。如果你從另一邊觀察手電筒的透射光，它會由于缺乏藍(lán)光而變得偏黃。

四. 米散射

不過，天空不總是藍(lán)色的。陰天、下雨的時候，天空總是白茫茫的一片，這是為什么? 我們需要用另一種散射——米散射來解釋。

當(dāng)顆粒物的尺寸相比于光的波長比較大，大約在0.1倍波長到100倍波長之間時，散射規(guī)律叫做米散射，由德國科學(xué)家古斯塔夫.米發(fā)現(xiàn)。

之前我們講到：光是一種電磁波，滿足麥克斯韋電磁學(xué)方程組。米從電磁學(xué)方程組出發(fā)，推導(dǎo)出了真空中球形顆粒物對光散射的完整規(guī)律，只需要給出散射球的半徑、折射率和光的波長，就能唯一的計算出散射結(jié)果。看起來這是個非常漂亮的工作對嗎？那請大家體會一下米散射方程吧。

在米散射方程中充斥了各種看不懂的字母，方程形式異常復(fù)雜，所以在散射物小，光的波長長時，我們一般使用米散射的近似結(jié)果——瑞利散射。而在顆粒物尺寸很大，光波長很短的時候，就是用另一種近似結(jié)果——幾何光學(xué)。只有在顆粒物尺寸介于0.1倍光波長到100倍光波長之間時，我們才會被迫使用米散射。

米散射的特點(diǎn)和瑞利散射顯著不同，瑞利散射是前后對稱的，而米散射向前占優(yōu)勢，呈現(xiàn)出星狀放射性的強(qiáng)度分布。

我們可以在不同顆粒物尺寸和光的波長時，計算球體的總散射強(qiáng)度，如下圖所示：橫坐標(biāo)是顆粒物尺寸與光波長之比，縱坐標(biāo)代表了散射強(qiáng)度。你會發(fā)現(xiàn)：米散射大約分成兩個區(qū)域：顆粒物比較小、光波長比較長時的瑞利散射區(qū)域和顆粒物比較大、光波長比較短時的米散射區(qū)域。

而且，在瑞利散射時，光的波長越短，散射強(qiáng)度越大；但是到了米散射區(qū)域后，隨著波長變化，散射強(qiáng)度幾乎不變！這就是我們要的結(jié)論：當(dāng)大氣中的顆粒物達(dá)到光波長的十分之一以上時，不同顏色的光散射能力幾乎沒有差別。
用這個理論就能解釋為什么云彩是白色的了。云彩是由許多小水滴構(gòu)成的，這些小水滴尺寸很大，對光線產(chǎn)生米散射——各種顏色的光幾乎等比例的散射。散射光依然各種成分都有，混合起來就是白光。在大霧天，上下都是白茫茫一片，也是因為空氣中有大量的大尺寸水滴，對陽光發(fā)生了米散射。

用米散射理論就能解釋舟山紅色天空事件了。當(dāng)時舟山地區(qū)有霧，空氣中水量豐富，為米散射提供了很好的氣象條件。此時漁船打開紅色的燈光，這些紅光照到空中，被水滴散射，向四面八方發(fā)射出去。進(jìn)入到人們的眼睛，看上去就形成了紅彤彤的一片。注意：假如沒有霧，光線在大氣中只能發(fā)生瑞利散射，而紅光波常常，對瑞利散射的的穿透性很強(qiáng)，就容易直接穿透空氣射向天空，沒辦法照亮一大片天空了，這就是沒有霧的時候為什么不會出現(xiàn)這種情景。

我說的這些對不對呢？其實很好驗證，做個實驗就好了。5月10日，舟山漁業(yè)公司又開啟了秋刀魚船的捕魚燈，結(jié)果天空再次變紅，驗證了之前的猜測。

也許有同學(xué)會說：看起來這個現(xiàn)象并不復(fù)雜，只要有紅色光源，大氣中有足夠大的顆粒就能出現(xiàn)，那為啥我從沒看過紅色天空？其實這個現(xiàn)象的確不罕見，你有沒有在霧霾天開車的經(jīng)歷？在前車如果突然急剎車，或者交通燈紅燈亮起，你的眼前可能一片紅光，這就是霧霾對光的散射。

再比如澳大利亞和美國發(fā)生森林大火的時候，大量的灰塵顆粒被卷到天空中，天空也是血紅色的。

現(xiàn)在，你明白舟山和福州的“紅色天空”是怎么回事了嗎？

補(bǔ)充：如果小伙伴們想自己計算一下米散射，可以點(diǎn)擊這個網(wǎng)站，只需要輸入散射顆粒的直徑、光的波長、折射率等信息，就能幫你算出各個方向的散射情況。

Omlc.org/calc/mie_calc.html?

比如：我取顆粒物直徑0.001微米，模擬大氣分子。光的波長0.55微米，這是可見光的中值波長。

計算的結(jié)果如下圖所示：

很明顯，這是典型的瑞利散射。?

如果我們把顆粒物尺寸改為1微米，其他條件不變，就會得到下面的圖：

你看，這就是米散射的情況。