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(shù)懸浮顆粒相遇，改變了能量和方向，向四周傳播開來。于是，晴空彌漫成蔚藍，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。那么，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(fā)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(zhì)點為中心而向四周傳播開來的現(xiàn)象。常見的散射又分為三種類型：瑞利散射、米散射和拉曼散射。這三種現(xiàn)象結(jié)合起來可以解釋生活中的很多光學現(xiàn)象。
圖1 散射現(xiàn)象示意圖，太陽光照射到云滴上，光線被打亂了，并向四面八方射去
首先，小編來給大家介紹我們最常聽到的瑞利散射。當粒子尺度遠遠小于入射光波長時（小于波長的十分之一），發(fā)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）。對于瑞利散射，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2 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。由于太陽光波長（400-800納米）遠大于大氣分子（1納米左右）直徑，故常發(fā)生瑞利散射。正午時，太陽光（各種頻率、顏色的光）直射大氣層，傳播一定的距離后，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。由于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(xiàn)了互補色，也就是黃色。
圖3 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(xù)向地面?zhèn)鞑?，大氣就主要散射紅光，因此朝霞和晚霞是紅色的（圖四）。
圖4 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。
到這里也許大家會好奇，紫光波長比藍光更短，應該更加容易被散射，但天空為什么不是紫色的呢？這里原因有三，第一，根據(jù)太陽輻射光譜，各波長輻射強度不同，紫光輻射強度低于藍光（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5 太陽輻射光譜
瑞利散射是當粒子遠小于入射光波長時發(fā)生的現(xiàn)象。如果粒子尺度接近或大于入射光波長，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(xiàn)象稱為米散射。米散射（圖六黃色區(qū)域）強度比瑞利散射（圖六藍色區(qū)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于一定值。
圖6 米散射與瑞利散射對比
天空中的云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。于是，當光透過云彩時，便會發(fā)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(xiàn)白色，我們看到的云朵就多為白色。降水快要發(fā)生時，大氣水汽含量較高，云中凝結(jié)的小水滴越來越大，對太陽光的折射和吸收效應增強，云朵就變暗了，這就是我們看到的烏云。同理，污濁的大氣中，塵埃粒子更多，它們多為直徑較大的顆粒，此時光線也會發(fā)生米散射，白色的散射光充斥空中，天空看起來就灰蒙蒙的。
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(fā)生變化，在遠端發(fā)射紅光，人眼所見即為紅光。如果在透明介質(zhì)傳播時，光束的頻率發(fā)生了改變，比如在圖七中，激發(fā)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(xiàn)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7 拉曼散射效應 | 圖片來源：小紅書@shuihua)
最后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?yōu)榍嗌s8 km）、暗青色（約11km）、 暗紫色（約13 km）、黑紫色（約21 km），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(fā)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(xiàn)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(fā)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，那么我們看到天空的顏色會更深一些，呈現(xiàn)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(shù)美術(shù)個人筆記（八）——瑞利散射與米氏散射, CSDN
撰稿：楊柳
美編：怪伽cc
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