沙塵為何能把太陽“嚇”白了？丨流光E彩_風聞

編者按：半個世紀光電情，披星戴月星辰明。中科院之聲與中國科學院光電技術研究所聯合開設“流光E彩”科普專欄，講述生活中的光電科普趣事，傳播最生動的光電知識，展示最前沿的光電進展。

對於日出日落，天空呈現“夕照紅於燒，晴空碧勝藍”的印象早已深入人心，但是由於沙塵暴的襲來，讓我們看到了與印象不符的夕陽景色——白色的太陽，有時候還有藍色的光環，被人稱作藍太陽！這是什麼原因造成的呢？

沙塵暴中的白太陽

(圖片來源：作者拍攝於國科大雁棲湖校區教學樓一)

沙塵暴中的藍太陽（圖片來源：北京日報）

既然沒有沙塵暴時是紅色的夕陽，有沙塵暴時是白色的夕陽，那麼問題肯定出在空氣中飛揚的沙塵上了，一定是它對太陽光動了什麼手腳！

事實上是這樣的，我們無論要討論沙塵暴天氣帶來的白太陽、藍太陽，還是晴天時的藍天和紅色落日，實際上都離不開光的散射。接下來讓我們來了解一下什麼是光的散射，以及對我們所看到的天空、太陽的顏色變化做出解釋。

（圖片來自網絡）

什麼是光的散射？當一束光通過透明的質地均勻的介質時，比如下圖中的清水，我們很難從玻璃缸的側面看到光束；但是我們向水中加入少許牛奶、豆漿等液體，將清水弄渾濁後，我們便可以在玻璃缸側面看到光束的傳播，如圖1（b）所示。

光的散射現象 

（圖片來源：清華大學光的散射演示實驗https://v.youku.com/v_show/id_XMTY1NzYxOTQ4.html）

這種定向傳播的光束在介質中傳播時，光向四面八方散開的現象，便稱為光的散射現象。並且我們可以由光的散射現象產生機制想到，介質中小顆粒的尺寸對散射的特性應該起到至關重要的作用。研究人員也是根據這一特點，依據介質中顆粒的尺寸從小到大並考慮散射的現象不同，分為了三類。

“一尺之捶，日取其半，萬世不竭”。在我國最早可以追溯到莊子時期，就已經對物質的組成進行了樸素的探討。當然現在我們知道，把物質分割到化學性質不變的最小結構就是分子或原子，這個觀點最早由阿伏伽德羅（Avogadro）於1811年提出，因此我們可以説物質是由分子或原子構成。之後人們又發現分子是由原子構成的，而原子是由帶正電的原子核以及周圍包裹着電子雲構成。由於正電荷分佈中心和負電荷分佈中心重合，因此對外是電中性的。

光可以視為電磁波，因為我們可以用描述電磁波的理論來描述。當光注入到介質中後會引起原子或者分子的正負電中心分離，並且隨着光的週期性波動而受迫振動。我們稱為正負電中心分離的原子或分子為偶極子，它們發生的受迫振動即為偶極振動。偶極振動會產生交變的電磁場，又向四面八方均勻地發出散射光。

分子散射示意圖

如果我們可以令分子的空間分佈非常不均勻，便可以讓分子間散射光疊加不能四面八方都為零，便可以看到分子散射現象。在液態物質接近超臨界狀態時，介質內部由於物態變化和分子熱運動等導致密度起伏大於光的波長且留存時間較長，此時就會產生光的散射現象，如圖所示，隨着温度升高，原本透明的流體突然變得像乳液一樣渾濁，該現象稱為“臨界乳光現象”。

二氧化碳的臨界乳光現象（圖片來自網絡）

對於比分子尺度大的顆粒而言，如果散射顆粒尺度小於光波長，則此時的散射稱為瑞利散射，並且顆粒的尺寸要比光波小10倍符合得更好。

最早研究光的散射現象的人為丁達爾（Tyndall），在1869年觀察到了膠體溶液出現散射光柱，即我們中學化學就知道的丁達爾效應。瑞利（Rayleigh）對該現象做了深入研究，得出了有關小顆粒瑞利散射光的兩個重要結論：（1）波長越短散射效應越明顯，例如藍光散射強度約為紅光的16倍；（2）得出了光強隨角度分佈的公式，即將物理現象用數學的語言嚴謹地描述出來。

對於偏振情況，如果入射的是線偏振光，則瑞利散射光仍為線偏振光；若入射自然光，則垂直於軸觀測是線偏振光，沿軸觀測仍是自然光，其餘方向是部分偏振光。

若顆粒尺寸更大，大到不符合瑞利散射怎麼辦？該情況以及相關理論由米（Mie）和德拜（Debye）通過金質小球進行分析研究，因此我們稱更大尺寸的顆粒對光的散射稱為米氏散射。

與瑞利散射不同，米氏散射不依賴於光波長，並且光強分佈不再呈現前後對稱的形式。並且米氏散射無明顯的顯色效應，因此大顆粒的散射通常是顯白色的。

若要從定性的角度上理解，可以認為散射顆粒是衍射單元，其對長波散射角度大於短波，而顆粒的偶極輻射表明短波散射角度大於長波，因此各個方向的各種波長的光非相干疊加，呈現了白色。

藍天白雲與浪花（圖片來自網絡）

藍色的天空實際上是由於大氣分子和極小尺寸的微塵的瑞利散射造成的，晴天的正午，天空由於其他位置的太陽光散射的藍光，而呈現藍色；日出日落時，由於太陽接近地平線，其藍色光被散射到其他位置，只剩下直射的紅色光，因此晴天的日出日落是紅色的太陽。

由於水霧，煙霧，浮塵等顆粒粒徑相對於可見光波長大，因此主要發生米氏散射。所以我們看天上的雲朵是白色的，因為小水滴帶來的米氏散射；在海邊，看到海水是透明清澈的，但是浪花是白的，這是由於浪花中氣泡帶來的米氏散射；對於沙塵暴中的白太陽、藍光環，便是由於沙塵對太陽光發生無顯色效應的米氏散射而產生的。由於火星的大氣充滿浮塵，所以在火星看日出日落，也是白色的，周圍有藍色光環。

火星上的日落（圖片來自網絡）

來源：中國科學院光電技術研究所、中國科學院成都分院