夕阳为什么是金灿灿的?

夕阳为什么是金灿灿的?

许小然,撷星摘月,俯仰之间

天空是蓝色的,夕阳是金色的,这是一个最基本的常识,但了解背后原因的人却是少数。学界内有专门指代一天之中天空颜色变化的术语和语境,我们称之为天空漫射(Diffuse sky radiation)。天空漫射中主要有两个光学主导原因,一是导致天空呈现普遍蓝色的瑞利散射(Rayleigh scattering)。另一个则是导致朝阳和夕阳呈现金红色的蒙气差(大气折射,atmospheric refraction)。


天空漫射:瑞利散射:蓝色天空

首先引用维基百科原文:

天空漫射(Diffuse sky radiation)是阳光直接被地球大气层中的分子或悬浮粒子散射而改变了行进方向之后,经过才抵达地球表面的太阳辐射,这些以光子为主的辐射很可能经过不只一次的散射、反射,最终以叠加的型态进入观测者的眼中,是天空会有颜色变化的主因,其变化就是随着“辐射入射角”(时间)及“最短路径上的阻碍”(天候状况、空气污染程度)造成颜色变化。它也被称为天光(skylight)、 漫射天光(diffuse skylight)、或天空辐射(sky radiation)。来自太阳的阳光大约有总量的三分之二(根据在大气层中的灰尘和烟雾含量,在太阳高悬时大约为有 25%的入射辐射直接被散射)会在大气层中被散射,最终成为弥散的天空辐射抵达地球表面。[1]
瑞利散射是一种半径比光或其他电磁辐射的波长小很多的微小颗粒(例如单个原子或分子)对入射光束的散射。瑞利散射在光通过透明的固体和液体时都会发生,但以气体最为显著。当颗粒尺度相似或大于散射光的波长时,通常是由米氏散射(Mie scattering)理论、离散偶极近似(Discrete Dipole Approximation, DDA)和其它计算技术来处理。[2]

由物质分子产生的瑞利散射的基本公式为

其中

为散射光强度,

为入射光强度,

为圆周率,

为分子极化率,

为入射光波长,

为分子间距,

为散射角。

若约化上式中的不变量,该公式给出的基本一般关系为瑞利散射光的强度反比于入射光波长的四次方

即对于一组混合自然白光(比如太阳光),其中存在由红色到紫色的一系列频率连续变化的光谱带[3]

模拟自然光光谱,从左到右频率连续降低,波长连续升高。图片来源:维基百科:光学频谱

其中频率越高(波长越短)的部分,会经理更加强烈的散射,因此在白天,阳光正入射大气时,被散射的蓝光布满了整个天空,从而使天空呈现蓝色,这也是为什么在晴朗的白天,天空呈现蓝紫色。但是太阳本身及其周围呈现白色或黄色,是因为此时看到更多的是直射光而不是散射光,所以日光的颜色(白色)基本未改变——波长较长的红黄色光与蓝绿色光(少量被散射了)的混合。

蓝光和红光在大气层中被散射效率的比较。图片来源:维基百科:天空漫射

但因为人眼对不同颜色的敏感度不同,以黄绿色敏感度最高,往两边呈钟形分布,因此人眼对蓝色的敏感度远大于紫色,所以即使散射的可见光波长中紫光能量最高,人眼看起来仍是蓝色[2]

天空漫射:蒙气差 / 大气折射:金色夕阳

通过实际观察生活会发现在一天连续变化的过程中,太阳乃至天空的颜色也会发生变化(即组合色中各频率强度分布随时刻的变化)。

在蓝天下采集的太阳光谱,能够看到被观察到的颜色实际是由一系列频率连续变化而强度各不相同的电磁波组成的。图片来源:维基百科:天空漫射

这是一方面由于在不同时间,太阳位处的位置的变化导致了入射角的变化,继而影响到瑞利散射行为。与此同时,通过学习高中物理我们能够知道,一个给定的折光材料对于不同频率的光线的折射率是不同的——当然,这同时也是牛顿棱镜能够对白光实现色散的理论基础——换言之,给定材料的折射率是入射光频率的函数。

几种不同材料的折射率与入射光波长的对应关系。图片来源:Wikipedia: Dispersion (optics)

基本关系是,材料的折射率随入射光频率的升高(波长的降低)而变大[4]

材料的折射率与光线经过该材料由于折射被偏转的角度的关系遵从斯涅耳定律[5]

这意味着光线的频率越高(波长越短,颜色越蓝),被同一块折光材料偏转的角度就越大。

牛顿棱镜对自然光的色散,可以观察到其中蓝紫色光的偏转角度大于红色光。图片来源:Wikipedia: Dispersion (optics)

所以说,当接近日出和日落时,我们看见的阳光几乎都是以接近切线的角度抵达地球的表面,这时大部分的光线会发生折射。因为短波光的折射角大,所以大部分的短波光都被折射掉了(潜入无法观察到的地表平面以下),剩下的就只有大波长的光系了。因此日出和日落时,你能看见的红光会强过其他任何颜色的光。

这个生活中十分常见的景象其实几位典型地实现了瑞利散射区域和蒙气差区域的分区。图片来源:维基百科:瑞利散射

作为类比,对于没有大气的月球和其他行星表面,即使因为不存在大气对阳光的衰减,使得入射阳光更加强烈,但除了直接观察太阳更加灼目之外,由于不存在瑞利散射,周围的天空依然是黑色的。

与此同时,其实瑞利散射同样可以用于解释海洋的深蓝色和云朵的颜色。


以上。