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「天空由头顶到四周的颜色由蓝到白」可以从这一点推断空气质量差吗?

2014-09-27科学

前方多图预警。对题主的答复直接见最后。

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感觉自己解决不了这个问题,但是感觉题主说的一些话让我摸不着头脑,比如

「头顶的天空所穿过的颗粒物较少,而已颗粒物所折射、散射的光也比较少,所以看到的就比较倾向于蓝色。」

为啥散射光较少就是蓝色啊摔! (╯°Д°)╯︵ ┻━┻

最近刚好做了几页PPt,补充一些常识性的东西吧。

天空的颜色从哪里来? 这是一个老生常谈的问题,我这种啥都不知道的本科生也只能出来补充这个了。

声明: 为了降低科普门槛,在下面的讨论中我就不考虑大气的吸收、折射和反射以及本身的辐射能力了,所以叙述过程中可能有失科学性,望诸位地学同仁见谅。如有硬伤请及时指出,跪谢,以后还要拿出去显摆呢。

首先我们先来学习一个基本原理: 光是沿直线传播的。 虽然马上就会有一本物理书摔我一脸(「你懂不懂什么叫光程差啊,你懂不懂什么叫折射率啊!」),不过对于下面的讨论而言应该够用了⊙▽⊙。


  • 如果地球上没有大气的话,会如何?
  • 基本就是这个样子:

    如果我们朝光源看,那么我们能看到光,而没有光源的地方,就看不到光了,没光的话自然就是月黑风高杀人夜......

    不过地面也能反射一些阳光,所以给地面加个buffer:

    那么实际看起来的效果应该如下:

    (百度随便找的图,长着一张」我为低端Ps代言「的脸)

  • 如果地球上有大气又如何?
  • 月球大气不具备散射功能,因为月球没有大气。

    但地球不同。上帝说:「要有光!」,于是地球大气层诞生了。

    正是因为地球大气层的存在,我们在看向太阳之外的空域时,并不是因为没有光而看到漆黑一片。而这些光的来源,便是散射。


    1.瑞利散射(Rayleigh scattering)

    老师: 众所周知(才怪),空气的主要气体组成为78.08%的氮(N),20.95%的氧(O),以及0.93%的氩(Ar)。

    某同学⊙▽⊙: 老师,这加起来都99.96%了,大魔王二氧化碳哪里去了?

    老师: 哦,你说二氧化碳呀,那家伙占空气总体积的0.034%。


    大气由大量的气体分子、原子组成,这些「空气颗粒」的直径非常小,基本小于可见光的波长(0.38-0.76微米),于是当可见光穿过时,便会发生散射。

    这种散射,我们叫它瑞利散射。

    瑞利散射的条件在于粒子直径比波长小很多,产生的实际效果就是散射强度对波长有选择性,和波长的 四次方成反比 。简而言之,便是 波长越短,散射越强

    可以看到,可见光中也就蓝光波长最短,因此被空气散射的最厉害,平时的天空(那些没太阳本来一片漆黑的地方)因为充满了气体,气体们就像是一个个蓝色的光源把蓝光射进你的眼睛,所以看起来也就蓝蓝的了。

    但是如果蓝光散射得太多了,原本应当偏向白色的太阳光,就会因为缺乏蓝光而变得偏红。比如日出或日落的时候,因为阳光途经的大气厚度增加了,因此遇到的气体的拦截也增加了。


    2.无选择性散射(Non-selective scattering)

    老师: 众所周知(才怪),云是由水汽凝结而成的,其中包含数量众多的云滴。

    某学生⊙▽⊙: 云滴有多大啊,是不是因为它的密度比空气小才能飞起来?

    老师: 标准云滴的半径为10微米,大于100微米的,就称为雨滴了。至于密度嘛,这货[哔——]的难道是气体么?!(其实有些固体的密度是可以低于空气的[1])


    大气中除了直径小于可见光波长的气体外,也存在一些直径大于可见光波长(0.38-0.76微米)的颗粒,比如水滴。当光经过这些大颗粒时,也会发生散射。

    这种散射,是一种无选择性散射,它对光的波长完全没有偏好,来者不拒一视同仁,所以散射到我们眼睛里,类似白光,但由于散射之后能量分散,就没有那么亮了。


    3. 米氏散射(Mie scattering)

    老师: 众所周知(才怪),胶体是一种特殊的分散系,它的分散质直径在1-100纳米之间,可以产生丁达尔效应。

    某学生⊙▽⊙: 老师,今天外面有雾霾诶,你说雾霾是胶体么。

    老师: 。。。。。。


    就如同扔一个硬币,除了扔出正面和反面,还存在第三种状态,硬币还有可能立起来。

    当大气中的颗粒大小和可见光的波长(0.38-0.76微米)相当时,其直径刚好介于瑞利散射和无选择性散射的条件之间,所发生的散射我们叫它米散射,它的性质刚好也介于两者之间。

    米散射对光的波长也有一定的选择性,然后比起瑞利散射的强度与波长的四次方成反比,它的口味更宽泛些,与波长的 二次方成反比 。嗯,没那么挑了呢。

    实际大气中使可见光发生米散射的,常常是气溶胶。百度百科表示气溶胶的粒子大小约在0.001-100微米左右[2] (有点反常的样子) 。某些特定粒级的气溶胶与可见光的波长相当,因此可以发生米散射,比如烟雾、尘埃,或者云滴。

    (偏蓝色的灰色,这不就是青烟么!)然后我们又可以满大街小巷地听到:

    注: 实际上可见光的米散射这一块纯属我瞎扯的,我只是想体现那种介于两种散射中间的感觉。


    小结:

    1.瑞利散射对波长最敏感,比如大气气体散射蓝光。

    2.无选择性散射对波长完全不敏感,比如空气中的大水滴散射白光。

    3.米散射介于两者之间,实际上我们经常讨论的是云雾对红外线(0.76-15微米)的米散射,雾霾也可能带来无选择性散射。

    P.S.以上讨论的都是不同粒径的颗粒对可见光的散射能力,实际上想玩的同学可以想象一下某一特定的颗粒对不同波长光的散射作用,随着波长的变化,散射能力也不同哦。

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    参考:

    [1]气凝胶_百度百科

    [2]气溶胶_百度百科

    [3]周淑贞,张如一,张超等.气象学与气候学.高等教育出版社.1997

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    至于题主的问题,我觉得题主解释的思路是 没有什么问题 的,但是既然题主欢迎大家批评指正嘛,我也就挑点瑕疵。

    讲了这么多散射无非是想说什么呢?

    如果说头顶看起来是蓝色的,那么说明以瑞利散射为主,将光射入题主眼中的颗粒物很小,但不是没有颗粒物啊!(╯°Д°)╯︵ ┻━┻

    如果四周看起来是白色的,说明当你向四周看去的时候,能将灰白色光射入题主眼睛的大颗粒物很多,但不一定是污染物啊!(╯°Д°)╯︵ ┻━┻

    当空气很好天空万里无云的时候,题主可以注意观察蓝蓝的天空,实际上头顶部分的蓝色会深一些,而远处的天空蓝色更浅(所以我觉得楼主你的思路没有错啊),但这跟污染物有什么关系,完全可能是[哔——]的水汽啊」(╯°Д°)╯︵ ┻━┻

    谢谢题主不杀之恩。