去年年底，PANTONE發(fā)布了2021年度流行色——極致灰（PANTONE17-5104UltimateGray）與明亮黃（PANTONE13-0647Illuminating），這是自2016年以后第二次年度流行色出現(xiàn)雙色組合。

極致灰與明亮黃|圖片來源：PANTONE

只不過，想不到天氣也成為了年度流行色的時(shí)尚弄潮兒…這場(chǎng)沙塵暴一來，天黃了，我灰了…沙塵暴一來，能見度說走就走，不少地區(qū)的能見度甚至小于1000米，想開口挽留，卻只能獨(dú)自體會(huì)吃土的滋味。

沙塵天氣

估計(jì)不少小伙伴都借此新認(rèn)識(shí)了一個(gè)天氣符號(hào)，今天也是進(jìn)步的一天呢！

通常，天氣發(fā)生變化時(shí)，人們都會(huì)用“變天了”來形容，晴天時(shí)的天空一般是藍(lán)色，日出日落時(shí)又會(huì)呈現(xiàn)出橙紅色，那么，天的顏色為什么會(huì)變來變?nèi)ツ兀堪l(fā)生沙塵暴時(shí)為什么又變紅了呢？

天空會(huì)呈現(xiàn)出不同的顏色|圖片來源：pixaby

光的顏色

在電磁波譜中，可見光是人眼可以感知的部分，可見光的波長(zhǎng)范圍為400～780nm，不同波長(zhǎng)代表著不同的顏色。例如，紅光為622-780nm，綠光為492-577nm，等等。

電磁波譜與可見光波段

又學(xué)會(huì)了一種對(duì)顏色的表述方式，以后可以說：我喝的是xxxnm的茶，你呢？

不同顏色所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)范圍

在生活中，我們最常見的可見光譜就是彩虹啦~

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光的散射

我們平時(shí)所看到的“白光”則是眾多顏色光中的老大，也就是所有顏色光的***。太陽光就是一種典型的白光，包含著各種顏色的光，但是，當(dāng)太陽光經(jīng)過大氣層到達(dá)地面的過程中，一些成分的可見光會(huì)“走丟”。

為什么有些光會(huì)“走丟”呢？相信大家都記得小學(xué)科學(xué)知識(shí)——光會(huì)發(fā)生反射、折射，而這些…都和我們今天討論的話題沒有關(guān)系！

和今天話題有關(guān)的是光的散射，是指光通過不均勻介質(zhì)時(shí)一部分光偏離原方向傳播的現(xiàn)象，偏離原方向的光稱為散射光。簡(jiǎn)單地說，就是光“亂了”。

丁達(dá)爾效應(yīng)中的散射光|圖片來源：pixaby

說起丁達(dá)爾效應(yīng)，回顧一下上節(jié)實(shí)驗(yàn)課的重點(diǎn)！

用綠色激光照射在NaCl溶液里，沒有看到光路

當(dāng)激光照射在牛奶與水的混合溶液時(shí)，可以明顯看到光路

光的散射分為3種類型——瑞利散射、米氏散射和拉曼散射。其中，瑞利散射和米氏散射的散射光波長(zhǎng)保持不變，而拉曼散射的散射光波長(zhǎng)發(fā)生了變化，具有比入射光波長(zhǎng)更長(zhǎng)和更短的兩部分。（拉曼散射光：我變了。）印度科學(xué)家拉曼（Raman）也因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)這一光的散射機(jī)制而獲得了1930年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

Emm…其實(shí)拉曼散射也和我們今天的話題不是特別相關(guān)，瑞利散射和米氏散射才是今天的主角！

那么，光什么時(shí)候發(fā)生瑞利散射、什么時(shí)候發(fā)生米氏散射呢？你可以把這當(dāng)作一場(chǎng)比大小的游戲！

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喂！不是這個(gè)！

比大小的兩個(gè)對(duì)象是大氣中的粒子尺度和入射光的波長(zhǎng)，當(dāng)粒子尺度遠(yuǎn)小于入射光波長(zhǎng)時(shí)（小于波長(zhǎng)的十分之一），則會(huì)發(fā)生瑞利散射。

散射強(qiáng)度隨顆粒尺寸及光波長(zhǎng)變化曲線|圖片來源[1]

瑞利散射是指其散射光在入射光傳播方向和反方向上的程度是相同的，而在與入射光線垂直的方向上程度最低。根據(jù)瑞利散射理論，散射光強(qiáng)度與入射光的波長(zhǎng)四次方成反比。也就是說，波長(zhǎng)越短，散射強(qiáng)度越強(qiáng)。

瑞利散射示意圖|圖片來源[1]

當(dāng)粒子尺度接近或大于入射光波長(zhǎng)時(shí)產(chǎn)生米氏散射，當(dāng)發(fā)生米氏散射時(shí)，其各方向上的散射光強(qiáng)度是不一樣的，米氏散射的散射強(qiáng)度與波長(zhǎng)的二次方成反比。

米氏散射示意圖|圖片來源[1]

擁有了光散射的知識(shí)，接下來讓我們向天空的顏色進(jìn)發(fā)吧！

天空的顏色

讓我們回想一個(gè)小時(shí)候的致命問題——天空為什么是藍(lán)色的？

當(dāng)太陽光穿過大氣層時(shí)，發(fā)生瑞利散射，藍(lán)光波長(zhǎng)短，散射強(qiáng)度更強(qiáng)，在散射光中，藍(lán)光占據(jù)優(yōu)勢(shì)，因此天空呈現(xiàn)藍(lán)色，也就是其他顏色的光走“丟了”。

但是，紫光的波長(zhǎng)更短，為什么天空不是紫色呢？

這是由于，在太陽光中，紫光的功率本來就比較低，除此之外，臭氧層會(huì)強(qiáng)烈地吸收紫外線（包括紫色光），因此我們?cè)诘孛婵吹降奶炜詹皇亲仙詈絾T在太空看到的天空則是暗紫色。

有些小伙伴可能會(huì)疑問——可是，海水又為什么是藍(lán)色呢？與太陽光穿過大氣層由于散射得到篩選相似，太陽光照射到海水中被吸收的程度主要與光的波長(zhǎng)和海水的深度相關(guān)。

紅光波長(zhǎng)較長(zhǎng)，散射強(qiáng)度弱，在入射到海水的過程中大部分被海水所吸收，而波長(zhǎng)較短的藍(lán)光則散射強(qiáng)度強(qiáng)，吸收較弱，所以我們經(jīng)常看到海水呈現(xiàn)藍(lán)色。另外一個(gè)因素是水深,水越深,入射進(jìn)海水中的光吸收越強(qiáng)。

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那么朝陽和夕陽呢？為什么紅光占據(jù)了優(yōu)勢(shì)？

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這是由于在日出和日落時(shí)，太陽光是斜入射的，以很大的傾角穿過大氣層到達(dá)地面，經(jīng)歷的大氣層厚度要遠(yuǎn)比中午時(shí)（直入射）厚得多，所以波長(zhǎng)較短的藍(lán)光、紫光等幾乎全部被散射掉，而剩下波長(zhǎng)較長(zhǎng)的橙光和紅光到達(dá)地面，因而呈現(xiàn)出濃烈的紅橙色。

回到文章開頭，沙塵暴天氣時(shí)大氣中充滿大粒子塵埃，這時(shí)陽光散射特征主要是非選擇性散射，即散射粒子尺度比波長(zhǎng)大得多時(shí)發(fā)生的散射，散射強(qiáng)度與波長(zhǎng)無關(guān)。大粒子塵埃使非選擇性散射占據(jù)主導(dǎo)地位，天空不再因?yàn)槿鹄⑸涠尸F(xiàn)藍(lán)色，而是呈現(xiàn)出沙塵的顏色——土黃色。

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除此之外，奇異的顏色景觀還有很多，比如——超級(jí)藍(lán)血月！

圖片來源：pixaby

發(fā)生月全食時(shí)，月亮沒有消失，只是亮度變暗，顏色變紅，因此被稱作“紅月亮”或“血月”。

這時(shí)，地球擋在了太陽和月亮之間，太陽光不能直射到月亮。只有部分波段的太陽光能夠經(jīng)過地球大氣層折射之后照到月亮上。

月全食

由于光會(huì)受到地球大氣中比波長(zhǎng)更小的微粒（如氣體分子）的散射，即瑞利散射，藍(lán)光基本上被散射掉，結(jié)果經(jīng)地球大氣折射抵達(dá)月球上的光就主要以紅光為主，所以月亮看起來就是“紅月亮”。

那…藍(lán)月亮又是怎么回事呢？月亮：不是我，我不藍(lán)。

藍(lán)月亮的定義有兩種，一是指如果一個(gè)天文季節(jié)中出現(xiàn)了四次滿月，那么第三次滿月被稱作“藍(lán)月亮”、二是指一個(gè)月的第二個(gè)滿月稱作藍(lán)月亮。[2]

除了藍(lán)、紅，還有綠色啊！愛是一道光！

圖片來源：pixaby

極光通常出現(xiàn)在南北兩極附近地區(qū)，因?yàn)槠浣k麗多彩而備受追捧。除綠色外，人們也曾觀測(cè)到紅色、藍(lán)色等其他顏色的極光，甚至同時(shí)夾雜不同的顏色。

根據(jù)小學(xué)量子力學(xué)知識(shí)，粒子能量最低的態(tài)稱為基態(tài)，能量高于基態(tài)的稱為激發(fā)態(tài)。

圖片來源：pixaby

在基態(tài)和激發(fā)態(tài)之間切換時(shí)，會(huì)吸收和發(fā)射特定波長(zhǎng)的光，波長(zhǎng)則由兩種狀態(tài)之間的能量差所決定。

極光的顏色會(huì)與這些吸收、釋放能量的過程有關(guān)。海拔不同，成分也不同的大氣電離，導(dǎo)致了不同帶電粒子（氧離子羥基自由基等）的出現(xiàn)。

在最高海拔處，以原子氧為主，受激發(fā)的原子氧躍遷時(shí)常發(fā)射波長(zhǎng)為630nm的光，呈現(xiàn)紅色，極光的顏色就會(huì)呈現(xiàn)出紅色。原子氧的濃度很低，所以只有在太陽活動(dòng)很強(qiáng)烈的時(shí)期，才能看到紅色的極光。

當(dāng)海拔高度較低時(shí)，粒子碰撞頻繁，抑制了形成紅光的過程，受激發(fā)的分子氮通過碰撞將能量傳遞給氧原子，此時(shí)微觀粒子的躍遷會(huì)發(fā)射波長(zhǎng)為555.7nm的光，極光主要呈現(xiàn)出綠色。

或許在未來某個(gè)瑞利散射占主導(dǎo)的中午，或許某個(gè)米氏散射占主導(dǎo)的傍晚，也可能在南極大氣電離激發(fā)的自然現(xiàn)象的時(shí)候，你都可以帶著理工科的驕傲，向身邊的人搬出背后的原理，這也是一種浪漫，不是嗎？

參考文獻(xiàn)

[1]張珊珊.基于光散射原理的尾氣顆粒物檢測(cè)技術(shù)研究[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程,2019,47(05):1254-1257+1263.

[2]左文文.152年來首次“超級(jí)藍(lán)血月全食”,是怎么形成的?[J].方圓,2018(04):8.

[3]王晴.拉曼—偏振激光雷達(dá)的云相態(tài)探測(cè)與識(shí)別[D].西安理工大學(xué),2020.

[4]寶樂爾.阿拉善盟一次區(qū)域性大風(fēng)沙塵暴天氣過程成因分析[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2021,35(04):112-119.

[5]葉澍.海水到底是什么顏色？[J].海洋世界,2016(04):6-7.

[6].極光的顏色是由哪些因素決定的[J].青年科學(xué),2004(12):50-51.

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