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夕阳西下(图源:popsci.com)
程江华编译
黄昏时分,夕阳将周围的天空染成火红色,日落时的景色美不胜收。若你走在海边的沙滩上,或许还会在日落的尽头看到天空中出现的一小片绿光。这片绿光是怎么回事呢?要想知道这个问题,我们就要先了解一下日落的色彩从何而来。
海上日落(图源:popsci.com)
日落的色彩从何而来?
大气由非常微小的气体分子组成,其中主要是氮和氧。进入地球大气层的光与空气中的微粒相撞后,会在各个不同的方向发生瑞利散射(Rayleigh scattering)。瑞利散射光的强度和入射光的波长的4次方成反比,也就是说,这些微粒对蓝光和紫光等短波光的散射更有效,而对波长较长的红光、橙光、黄光有较好的“通透性”。
在晴朗的白天,当太阳光经过大气层时,与大气层的分子发生瑞利散射。由于紫光、蓝光比红光、黄光的波长短,瑞利散射比较激烈,被散射后会布满整个天空,使天空呈现蔚蓝色;由于波长较长的红光、黄光能够穿透大气层直接到达地面,因而,此时的太阳及其附近的天空呈现白色(这些光混合后的颜色)。
某些波长的光被散射时,它们会向不同方向重新发射。(图源:livescience.com)
在早晨或傍晚,太阳光与地面的角度较小,意味着太阳光需要穿过较厚的大气层才能进入我们的视野。在这个过程中,紫光、蓝光等短波光被反复散射,到达眼睛的光特别少;而红光、黄光等长波光因具有较好的“通透性”,可以直接穿透大气层。因此,在日出或日落时,太阳及附近的天空呈现红色或黄色。
至于波长相对较长的绿光,每次日落时都有可能会出现,但由于时间很短,只有几秒钟,因此很难被人眼发现。
其他行星上的日落
美国特拉基社区学院的库尔特·埃勒(Kurt Ehler)教授在《应用光学》上发表文章称,每颗行星上的日落的颜色并不相同,这些颜色是由每颗行星大气层中的粒子散射阳光的方式决定的。
埃勒教授表示,任何大气层以气体为主的行星都和地球类似,日落时,波长较长的光的颜色在天空中占主导地位。例如,在天王星上,大气中的氢、氦和甲烷气体粒子会散射波长较短的蓝光和绿光,同时吸收(但几乎不会再发射)波长较长的红光。白天时,天王星的天空会呈现出明亮的蓝色。与绿光相比,波长较短的蓝光更容易被气体粒子散射,因此在日落时,天空会变成蓝绿色。
如果行星的大气层由气体以外的物质主导,则以上理论不再适用。例如,在火星上,大气层主要由微米级的尘埃悬浮颗粒构成,而气体密度只占地球的1/80。也就是说,天空中光的散射不再以气体分子为主导,而是由尘埃颗粒控制。
埃勒及其同事对火星探测器“勇气号”的数据进行研究,发现火星尘埃散射光的方式与气体分子不同,日落时天空呈现蓝色的原因与尘埃粒子散射光的方式有关。地球上的气体分子会把光散射到各个不同的方向,但火星上的尘埃主要将光散射到同一个方向(即向前的方向)。
火星探测器“勇气号”拍摄的火星日落(图源:NASA)
此外,尘埃粒子散射红光的角度比蓝光大得多。蓝光的散射范围不是很广,所以会变得更加集中。因此,火星上蓝光的强度大约是红光的6倍。
火星探测器记录了火星上日落时云层的运动(图源:NASA)
如果你有机会去火星上看日落,你会发现太阳是白色的,这是因为火星的大气层太稀薄,光线在穿过大气层时并不会改变颜色。埃勒教授称,“太阳周围还有蓝色的光芒,再向远处望,天空开始泛红,你可以看到红光会以更大的角度向外散射。”
(图源:osapublishing.org)
总之,日落的颜色由这颗行星的大气层决定,至于其他行星和卫星上的日落是什么颜色,需要彻底了解它们的大气成分才能预测。如果这些天体有气态的大气层,日落时就有可能出现更长波长的光。
参考文献:
https://www.popsci.com/green-flash-sunset/
https://www.livescience.com/what-color-are-other-planets-sunsets.html
征稿启示
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