當前位置: 華文問答 > 科學

「天空由頭頂到四周的顏色由藍到白」可以從這一點推斷空氣質素差嗎?

2014-09-27科學

前方多圖預警。對題主的答復直接見最後。

——————————————————————————————

感覺自己解決不了這個問題,但是感覺題主說的一些話讓我摸不著頭腦,比如

「頭頂的天空所穿過的顆粒物較少,而已顆粒物所折射、散射的光也比較少,所以看到的就比較傾向於藍色。」

為啥散射光較少就是藍色啊摔! (╯°Д°)╯︵ ┻━┻

最近剛好做了幾頁PPt,補充一些常識性的東西吧。

天空的顏色從哪裏來? 這是一個老生常談的問題,我這種啥都不知道的本科生也只能出來補充這個了。

聲明: 為了降低科普門檻,在下面的討論中我就不考慮大氣的吸收、折射和反射以及本身的輻射能力了,所以敘述過程中可能有失科學性,望諸位地學同仁見諒。如有硬傷請及時指出,跪謝,以後還要拿出去顯擺呢。

首先我們先來學習一個基本原理: 光是沿直線傳播的。 雖然馬上就會有一本物理書摔我一臉(「你懂不懂什麽叫光程差啊,你懂不懂什麽叫折射率啊!」),不過對於下面的討論而言應該夠用了⊙▽⊙。


  • 如果地球上沒有大氣的話,會如何?
  • 基本就是這個樣子:

    如果我們朝光源看,那麽我們能看到光,而沒有光源的地方,就看不到光了,沒光的話自然就是月黑風高殺人夜......

    不過地面也能反射一些陽光,所以給地面加個buffer:

    那麽實際看起來的效果應該如下:

    (百度隨便找的圖,長著一張」我為低端Ps代言「的臉)

  • 如果地球上有大氣又如何?
  • 月球大氣不具備散射功能,因為月球沒有大氣。

    但地球不同。上帝說:「要有光!」,於是地球大氣層誕生了。

    正是因為地球大氣層的存在,我們在看向太陽之外的空域時,並不是因為沒有光而看到漆黑一片。而這些光的來源,便是散射。


    1.瑞立散射(Rayleigh scattering)

    老師: 眾所周知(才怪),空氣的主要氣體組成為78.08%的氮(N),20.95%的氧(O),以及0.93%的氬(Ar)。

    某同學⊙▽⊙: 老師,這加起來都99.96%了,大魔王二氧化碳哪裏去了?

    老師: 哦,你說二氧化碳呀,那家夥占空氣總體積的0.034%。


    大氣由大量的氣體分子、原子組成,這些「空氣顆粒」的直徑非常小,基本小於可見光的波長(0.38-0.76微米),於是當可見光穿過時,便會發生散射。

    這種散射,我們叫它瑞立散射。

    瑞立散射的條件在於粒子直徑比波長小很多,產生的實際效果就是散射強度對波長有選擇性,和波長的 四次方成反比 。簡而言之,便是 波長越短,散射越強

    可以看到,可見光中也就藍光波長最短,因此被空氣散射的最厲害,平時的天空(那些沒太陽本來一片漆黑的地方)因為充滿了氣體,氣體們就像是一個個藍色的光源把藍光射進你的眼睛,所以看起來也就藍藍的了。

    但是如果藍光散射得太多了,原本應當偏向白色的太陽光,就會因為缺乏藍光而變得偏紅。比如日出或日落的時候,因為陽光途經的大氣厚度增加了,因此遇到的氣體的攔截也增加了。


    2.無選擇性散射(Non-selective scattering)

    老師: 眾所周知(才怪),雲是由水汽凝結而成的,其中包含數量眾多的雲滴。

    某學生⊙▽⊙: 雲滴有多大啊,是不是因為它的密度比空氣小才能飛起來?

    老師: 標準雲滴的半徑為10微米,大於100微米的,就稱為雨滴了。至於密度嘛,這貨[嗶——]的難道是氣體麽?!(其實有些固體的密度是可以低於空氣的[1])


    大氣中除了直徑小於可見光波長的氣體外,也存在一些直徑大於可見光波長(0.38-0.76微米)的顆粒,比如水滴。當光經過這些大顆粒時,也會發生散射。

    這種散射,是一種無選擇性散射,它對光的波長完全沒有偏好,來者不拒一視同仁,所以散射到我們眼睛裏,類似白光,但由於散射之後能量分散,就沒有那麽亮了。


    3. 米氏散射(Mie scattering)

    老師: 眾所周知(才怪),膠體是一種特殊的分散系,它的分散質直徑在1-100納米之間,可以產生丁達爾效應。

    某學生⊙▽⊙: 老師,今天外面有霧霾誒,你說霧霾是膠體麽。

    老師: 。。。。。。


    就如同扔一個硬幣,除了扔出正面和反面,還存在第三種狀態,硬幣還有可能立起來。

    當大氣中的顆粒大小和可見光的波長(0.38-0.76微米)相當時,其直徑剛好介於瑞立散射和無選擇性散射的條件之間,所發生的散射我們叫它米散射,它的性質剛好也介於兩者之間。

    米散射對光的波長也有一定的選擇性,然後比起瑞立散射的強度與波長的四次方成反比,它的口味更寬泛些,與波長的 二次方成反比 。嗯,沒那麽挑了呢。

    實際大氣中使可見光發生米散射的,常常是氣溶膠。百度百科表示氣溶膠的粒子大小約在0.001-100微米左右[2] (有點反常的樣子) 。某些特定粒級的氣溶膠與可見光的波長相當,因此可以發生米散射,比如煙霧、塵埃,或者雲滴。

    (偏藍色的灰色,這不就是青煙麽!)然後我們又可以滿大街小巷地聽到:

    註: 實際上可見光的米散射這一塊純屬我瞎扯的,我只是想體現那種介於兩種散射中間的感覺。


    小結:

    1.瑞立散射對波長最敏感,比如大氣氣體散射藍光。

    2.無選擇性散射對波長完全不敏感,比如空氣中的大水滴散射白光。

    3.米散射介於兩者之間,實際上我們經常討論的是雲霧對紅外線(0.76-15微米)的米散射,霧霾也可能帶來無選擇性散射。

    P.S.以上討論的都是不同粒徑的顆粒對可見光的散射能力,實際上想玩的同學可以想象一下某一特定的顆粒對不同波長光的散射作用,隨著波長的變化,散射能力也不同哦。

    ——————————————————————————

    參考:

    [1]氣凝膠_百度百科

    [2]氣溶膠_百度百科

    [3]周淑貞,張如一,張超等.氣象學與氣候學.高等教育出版社.1997

    ——————————————————————————

    至於題主的問題,我覺得題主解釋的思路是 沒有什麽問題 的,但是既然題主歡迎大家批評指正嘛,我也就挑點瑕疵。

    講了這麽多散射無非是想說什麽呢?

    如果說頭頂看起來是藍色的,那麽說明以瑞立散射為主,將光射入題主眼中的顆粒物很小,但不是沒有顆粒物啊!(╯°Д°)╯︵ ┻━┻

    如果四周看起來是白色的,說明當你向四周看去的時候,能將灰白色光射入題主眼睛的大顆粒物很多,但不一定是汙染物啊!(╯°Д°)╯︵ ┻━┻

    當空氣很好天空萬裏無雲的時候,題主可以註意觀察藍藍的天空,實際上頭頂部份的藍色會深一些,而遠處的天空藍色更淺(所以我覺得樓主你的思路沒有錯啊),但這跟汙染物有什麽關系,完全可能是[嗶——]的水汽啊」(╯°Д°)╯︵ ┻━┻

    謝謝題主不殺之恩。