为什么秋天阳光下与林荫内亮度相差这样大？

金秋十月，冷空气来到华北地区之后，往往天气晴朗，有时竟然“碧天万里无云”。而不久以前还天气炎热，人们走路找树荫，生怕树荫不够密。这才过了几天，人们就走路找太阳地，嫌树叶挡阳光了。

在晴朗的阳光下，走进林荫下，会感到突然黑下来，而走出林荫会觉得亮得刺眼。

为什么在秋天晴朗的天气里，阳光下与林荫处的亮度相差为什么这样大？

众所周知，我们能够看到物体，是眼睛感觉到了来自物体的光。除了极少数自己发光物体外，我们所看到的都是物体受到光源照射而反射出来的光。

在自然状态下，我们所感到的基本上都是太阳发出的光。但是，在绝大多数情况下，太阳光并没有直接照射在我们看到的物体之上，例如白天我们在室内自然光照下看到桌椅家具书本文具等，阳光并没有直接照在这些家具文具上，照在家具文具上的都是经由别的物体反射过来的太阳光。

这些被反射的太阳光可以分成两类，一类是太阳光照射在空气上，由于空气的气体分子和悬浮在空气中的微尘对阳光的散射，另一类是地面及地面上的人工建筑物对太阳光的反射。

众所周知，地球的周围存在大气，其中接近五分之四是氮气，五分之一多一点是氧气，还有一些惰性气体、二氧化碳、水蒸气等。地球对大气分子有引力，把分子拉向地面。但是气体分子的动能使得分子可以向四面八方运动，一些高能量的分子甚至会逃逸出地球。这样，在地球周围的气体分子就形成了大气层，越靠近地面，气体密度越大，越往上（也就是离开地面越远）气体密度越小，空气越稀薄。大气层并没有明确的边界，但是一般认为其厚度为1000公里。

太阳辐射是具有各种波长的电磁波。当太阳辐射照射在大气分子上，太阳辐射中的高能辐射即波长最短的伽玛射线、X射线、短波紫外线等会与高空中气体分子相互作用，引起组成这些分子的原子的电子激发甚至电离。这些高能辐射从而很难深入大气层照射到地面。

空气中的氮气、氧气这些小分子从电子基态到激发态需要的能量都在紫外波段，所以，它们与可见光没有多少相互作用，或者说，对于可见光它们是透明的。可见光可以穿透空气，直达地面。

但是，可见光中波长略短的紫光和蓝光，它们的能量能与一些气体分子的激发态之间跃迁的频率相匹配，从而被这些激发态分子所吸收或释放。这就是引起一些紫光和蓝光被散射的一个原因。

这些蓝色的散射光（我们的视觉对波长更短的紫光不很敏感），使得我们看到的“天”是蓝色的。假定没有大气层，我们看到的天将是黑色的，黑色的天上镶嵌着明亮的星星，就像在看宇航员太空行走的电视转播中所看到的那样。

但是，空气中不是仅仅只有氮气氧气等，在离开地面略近（10～20公里）处下面，往往存在一些微尘，水蒸气能够在微尘周围凝结成水滴，形成各种云。这些凝结起来的水蒸气团簇和水滴对于可见光（无论是波长略短的紫光蓝光还是波长略长的红光）都能够吸收或发射。也就是说，它们能够吸收或反射可见光。

在离开地面更近的空中，微尘会越来越多，各种污染物如MP2.5甚至更大的尘埃，都会吸收或反射可见光。可能有人会问PM2.5还算大？PM2.5的直径是2.5微米。就是2500个纳米，比起700纳米的红光波长，450的纳米蓝光波长，就大了许多。在这些微粒和聚起来的水汽团面前，可见光，不管是蓝色还是红色的，都不容易绕过，都会向四面八方反射，我们称之为漫反射。于是，我们看到了空中的云。

这样，我们看到的天，不仅仅会有蓝色的，也会有白色或灰色甚至黄色的。

空气中的这些“污染物”（这里我们暂且把水蒸气形成的云也归于污染物中）越少，太阳光直射地面的越多，“天”上反射的阳光就越少。如果污染物略多，太阳光直接照射地面的就少，天看上去就不怎么蓝。污染物进一步增加，太阳光直射地面就更少，甚至在地面见不到太阳，所有的光线都是经污染物反射的，阴天和下雨天就是如此。

应当注意到，太阳光直射地面，当被建筑物或树叶挡住时，会产生阴影。同样，假定没有空气也没有其他物体的反射，建筑物或树叶把阳光挡住了，阴影下将是漆黑一片。当然，这种情况不可能发生，因为实际上存在空气，同时也存在地面上其他物体对于光线的反射。

而被“污染物”反射下来的光，则是从“天上”四面八方“漫反射”来的，它们将很少形成阴影。

在阴天下雨的时候，所有的“阳光”都是经漫反射得来的，因而在树荫内外，明暗程度相差不是特别大。而在晴天，阳光下的光线主要有太阳直射的光线，当然也有“天”上散射和地面上的反射光，而树荫下则只有天上的散射和地面上其他物体的反射光。

这样，天气越晴朗，污染物越少，太阳直射的光线就越多，天上污染物反射的光线就越少，林荫内外光线造成亮度的反差就越大。

我国东部华北地区的金秋十月，较少受到从印度洋吹来的暖湿气流影响，天气干燥，空中的云雾较少。而蒙古高原在夏季有较好的植被，因此在秋季就少有风沙。空中较为洁净，无云无尘，这时华北地区就容易显得天高气爽，天空一片湛蓝。

也就是说，华北地区的秋天，天空中被“污染物”反射的光线弱，而太阳光直射的光线强。而这时候，夏季才过，大树上的树叶正好还处在最浓密之时，这样，林荫内外光线的差别就显得特别显著，人们出入树荫，容易感到眼花缭乱。