沙塵為何能把太陽“嚇”白了

唐鴻洋

日出、日落時(shí)分，天空中所呈現(xiàn)出的“夕照紅于燒，晴空碧勝藍(lán)”的景象早已深入人心；然而，在某種特殊情況下，比如沙塵暴襲來時(shí)，人們會(huì)看到一種截然不同的夕陽景色——白色的太陽，有時(shí)候，因其周圍有藍(lán)色的光環(huán)而被稱作“藍(lán)太陽”。

這是什么原因造成的呢？

既然沒有沙塵暴時(shí)，夕陽是紅色的，有沙塵暴時(shí)，夕陽卻變成了白色的，那么，問題肯定出在空中飛揚(yáng)的沙塵上，一定是它對(duì)太陽光動(dòng)了什么手腳。

事實(shí)果真如此嗎？

事實(shí)確實(shí)如此。無論我們要討論的是沙塵暴天氣帶來的“白太陽”或“藍(lán)太陽”，還是晴天時(shí)的藍(lán)天和紅色落日，都離不開光的散射這一科學(xué)原理。

接下來，讓我們來了解什么是光的散射，以及如何利用該原理對(duì)我們所看到的天空、太陽的顏色變化做出科學(xué)說明。

首先，我們要了解什么是光的散射。當(dāng)一束光通過質(zhì)地均勻的透明介質(zhì)時(shí)，比如上圖（a）中的清水，我們很難從玻璃缸的側(cè)面看到光束；但當(dāng)我們向水中加入少許牛奶、豆?jié){等液體，將清水弄渾濁后，便可以在玻璃缸側(cè)面看到光束的傳播，如上圖（b）所示。

這種定向傳播的光束在介質(zhì)中傳播時(shí)，光向四面八方散開的現(xiàn)象便是光的散射現(xiàn)象。根據(jù)光的散射現(xiàn)象產(chǎn)生機(jī)制，可以推知，介質(zhì)中小顆粒的尺寸對(duì)散射的特性具有至關(guān)重要的作用。研究人員根據(jù)這一特點(diǎn)，依據(jù)介質(zhì)中的小顆粒物尺寸，將光的散射現(xiàn)象分為三類，如表格所示。

“一尺之捶，日取其半，萬世不竭?！痹谖覈?，最早可以追溯到春秋戰(zhàn)國時(shí)期，古人就已經(jīng)對(duì)物質(zhì)的組成進(jìn)行了樸素的探討?，F(xiàn)在，我們知道，把物質(zhì)分割到化學(xué)性質(zhì)不變的最小結(jié)構(gòu)就是分子或原子。這個(gè)觀點(diǎn)最早由阿伏伽德羅于1811年提出。因此，我們可以說物質(zhì)是由分子或原子構(gòu)成的。之后，人們又發(fā)現(xiàn)分子是由原子構(gòu)成的，原子則是由帶正電的原子核以及周圍包裹著的電子云構(gòu)成。由于正電荷分布中心與負(fù)電荷分布中心重合，且正負(fù)電量相等，因此，原子對(duì)外是電中性。

光可以被視為電磁波，因?yàn)槲覀兛梢杂妹枋鲭姶挪ǖ睦碚搧砻枋龉?。?dāng)光注入到介質(zhì)中后會(huì)引起原子或者分子的正負(fù)電中心分離，并且正負(fù)電中心將隨著光的周期性波動(dòng)而受迫振動(dòng)。我們稱正負(fù)電中心分離的原子或分子為偶極子，它們發(fā)生的受迫振動(dòng)即為偶極振動(dòng)。偶極振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生交變的電磁場，又向四面八方均勻地發(fā)出散射光。

如果我們可以令分子的空間分布極度不均勻，便可以讓分子間的散射光疊加不能全部為零，從而可以看到分子散射現(xiàn)象。在液態(tài)物質(zhì)接近超臨界態(tài)時(shí)，介質(zhì)內(nèi)部由于物態(tài)變化和分子熱運(yùn)動(dòng)等導(dǎo)致密度起伏大于光的波長且留存時(shí)間較長，就會(huì)產(chǎn)生光的散射現(xiàn)象，如上圖所示。隨著溫度升高，原本透明的流體突然變得像乳液一樣渾濁，該現(xiàn)象被稱為“臨界乳光現(xiàn)象”。值得一提的是，超臨界態(tài)在生活中并不常見，它是一種已經(jīng)無法區(qū)分液態(tài)和氣態(tài)的物質(zhì)存在形態(tài)。盡管它在日常生活中不常見，卻為我們做出了很大貢獻(xiàn)，例如超臨界態(tài)的二氧化碳是很好的大分子溶劑，它可以用來提取植物油、動(dòng)物油等，并且不會(huì)對(duì)產(chǎn)品造成污染。

對(duì)于比分子尺度大的顆粒而言，如果散射顆粒尺度小于光波長，則此時(shí)的散射被稱為“瑞利散射”，其顆粒的尺寸要比光波小10倍，并且符合得更好。

最早研究光的散射現(xiàn)象的是英國物理學(xué)家約翰·丁達(dá)爾，他在1869年觀察到膠體溶液出現(xiàn)散射光柱，即我們中學(xué)化學(xué)就學(xué)過的丁達(dá)爾效應(yīng)。同時(shí)期的另一位英國物理學(xué)家瑞利對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行了深入研究，得出有關(guān)小顆粒瑞利散射光的兩個(gè)重要結(jié)論：第一，波長越短，散射效應(yīng)越明顯。例如，藍(lán)光散射強(qiáng)度約為紅光的16倍。第二，瑞利得出了光強(qiáng)隨角度分布的公式，即將物理現(xiàn)象用數(shù)學(xué)語言嚴(yán)謹(jǐn)?shù)孛枋龀鰜怼?/p>

對(duì)于偏振情況，如果入射的是線偏振光，則瑞利散射光仍為線偏振光；若入射的是自然光，則垂直于軸觀測是線偏振光，沿軸觀測仍是自然光，其余方向則是部分偏振光。

若顆粒尺寸更大，大到不符合瑞利散射怎么辦？該情況以及相關(guān)理論由米和德拜通過金質(zhì)小球進(jìn)行分析研究。因此，我們稱更大尺寸的顆粒對(duì)光的散射為“米氏散射”。

與瑞利散射不同，米氏散射不依賴于光波長，并且光強(qiáng)分布不再呈現(xiàn)前后對(duì)稱的形式。此外，米氏散射無明顯的顯色效應(yīng)，因此，大顆粒的散射通常是顯白色的。

我們看到的藍(lán)色天空實(shí)際上是由于大氣分子和極小尺寸的微塵發(fā)生瑞利散射造成的。晴天的條件下，正午時(shí)分，天空由于其他位置的太陽光散射藍(lán)光而呈現(xiàn)藍(lán)色；日出、日落時(shí)分，由于太陽接近地平線，其藍(lán)色光被散射到其他位置，只剩下直射的紅色光，因此，日出、日落時(shí)的太陽就是紅色的。

跟可見光相比，水霧、煙霧、浮塵等顆粒的粒徑更大，因此，主要發(fā)生米氏散射。所以，我們看天上的云朵是白色的，因?yàn)樾∷螏砻资仙⑸?；在海邊，海水是清澈透明的，但是浪花是白色的，這是由于浪花中的氣泡帶來米氏散射；至于沙塵暴中的“白太陽”和“藍(lán)光環(huán)”，則是由于沙塵對(duì)太陽光發(fā)生無顯色效應(yīng)的米氏散射而產(chǎn)生的。

如果我們站在火星上會(huì)看到什么樣的太陽呢？由于火星的大氣充滿浮塵，所以日出、日落時(shí)分在火星看到的太陽也是白色的，周圍有藍(lán)色光環(huán)。