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为什么沙尘暴中出现“蓝太阳”

已有 3172 次阅读 2021-3-16 21:39 |系统分类:科研笔记

昨天的朋友圈被北京沙尘暴的照片刷屏。如果照片中恰好有太阳,就会发现太阳在沙尘中显露出一种不同寻常的蓝色。

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关于“蓝太阳”的话题很快引起热议,搜寻专家的解读。我首先注意到的是一位天气网首席气象分析师的解释:“这是由于沙尘里的颗粒物散射和吸收了波长更长的红光,导致红光减少,所以太阳看起来是蓝色的。“

然而,这个解读和自己所了解的非常有限的光学常识正好相悖,难道不是波长更短的光更容易被散射吗?为什么沙尘偏偏选择性散射吸收了波长更长的红光?而且吸收和散射本身是互补的,怎么能同时增强?

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很快,我就看到另外一位专家的解读:“北京今日大气中的尘埃颗粒发生的是米氏散射,而非我们熟悉的瑞利散射。”

Picture2.png

 

这个解读看起来更专业,但这位专家显然高估了我的物理学知识,我第一次听到“米氏散射”这个概念,而对“瑞利散射”也只是似曾相识,所以这个解释感觉似乎是话只说到一半就没了下文。

 

直到今天下午看到一篇中科院物理所公众号推送的精彩文章,我才基本明白了几种散射的概念,简言之:

 

当粒子尺度远小于入射光波长时(小于波长的十分之一),会发生瑞利散射。

当粒子尺度接近或大于入射光波长时,产生米氏散射。

平日空气污染不严重时,空气里的颗粒物大多显著小于可见光波长,所以以瑞利散射为主,而沙尘天气时,吹来的黄沙颗粒大,和可见光的波长相近,所以发生显著的米氏散射。

 

但如果用这篇科普文章解释为什么沙尘暴天气出现“蓝太阳”,似乎还是有点隔靴搔痒,至少没有把窗户纸捅破。为什么一发生“米氏散射”,太阳就变蓝了呢?公众号下面的留言中也有读者在追问这个问题。

 

我继续在网上查阅资料,遗憾并没有找到更权威又清晰的回答,所以在这里仅凭借有限的物理学知识(很多还是刚学到的知识),做一点粗浅的分析。

 

我们不妨先从“在晴好天气,天空为什么是蓝色“这个老生常谈的话题说起。

刚才已经提到,平时大气中阳光发生的是瑞利散射,而瑞利散射散射光的强度同入射光的频率四次方呈正比关系(也即是和波长呈四次方反比),因此对于波长越短的光,散射就会越强,所以对于可见光,蓝紫色光的散射最显著。瑞利散射并没有方向性,类似“漫反射“,于是我们看到整个天空都弥漫着蓝色(我们的眼睛对紫色光不敏感),这是阳光发生瑞利散射的结果。

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米氏散射的散射强度与入射光的频率二次方呈正比关系,这一点和瑞利散射的趋势是相同的,所以对于可见光,同样是蓝紫色光的散射最显著。然而,米氏散射和瑞利散射非常不同的一点是,当发生米氏散射时,其各方向上的散射光强度是不一样的散射在顺着光入射的方向更强、更集中。所以,与天气晴好时相反,我们在沙尘中并不会看到满天的蓝色,而是光源(太阳)方向蓝色光变得更突出。

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这也许就是在严重沙尘天气中,出现“蓝太阳的重要原因。当然,这里只谈了散射因素,没有考虑大气对各种可见光吸收的影响,实际原因可能更复杂。

 

因为中文资料稀缺,我也试图寻找一些相关的英文内容,发现一篇介绍火星上看太阳的科普文章。其中虽然没有提到“米氏散射”(Mie scattering)这个名词,但在解释火星上太阳呈现蓝色时,有这样一段描述:

dust particles in the Sun’s direction scatter blue light forward to create a cool, blue aureole near the setting Sun.

我想这个“forward”,正是在强调米氏散射的方向性。

一场沙尘暴,除了带来漫天灰尘,也让我们在无意间体验了一次在火星上看太阳。



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