去年年底，PANTONE發布了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尚弄潮兒…這場沙塵暴一來，天黃了，我灰了…沙塵暴一來，能見度說走就走，不少地區的能見度甚至小于1000米，想開口挽留，卻只能獨自體會吃土的滋味。

沙塵天氣

估計不少小伙伴都借此新認識了一個天氣符號，今天也是進步的一天呢！

通常，天氣發生變化時，人們都會用“變天了”來形容，晴天時的天空一般是藍色，日出日落時又會呈現出橙紅色，那么，天的顏色為什么會變來變去呢？發生沙塵暴時為什么又變紅了呢？

天空會呈現出不同的顏色|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，可見光的波長范圍為400～780nm，不同波長代表著不同的顏色。例如，紅光為622-780nm，綠光為492-577nm，等等。

電磁波譜與可見光波段

又學會了一種對顏色的表述方式，以后可以說：我喝的是xxxnm的茶，你呢？

不同顏色所對應的波長范圍

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，當太陽光經過大氣層到達地面的過程中，一些成分的可見光會“走丟”。

為什么有些光會“走丟”呢？相信大家都記得小學科學知識——光會發生反射、折射，而這些…都和我們今天討論的話題沒有關系！

和今天話題有關的是光的散射，是指光通過不均勻介質時一部分光偏離原方向傳播的現象，偏離原方向的光稱為散射光。簡單地說，就是光“亂了”。

丁達爾效應中的散射光|圖片來源：pixaby

說起丁達爾效應，回顧一下上節實驗課的重點！

用綠色激光照射在NaCl溶液里，沒有看到光路

當激光照射在牛奶與水的混合溶液時，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保持不變，而拉曼散射的散射光波長發生了變化，具有比入射光波長更長和更短的兩部分。（拉曼散射光：我變了。）印度科學家拉曼（Raman）也因為發現這一光的散射機制而獲得了1930年的諾貝爾物理學獎。

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

那么，光什么時候發生瑞利散射、什么時候發生米氏散射呢？你可以把這當作一場比大小的游戲！

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喂！不是這個！

比大小的兩個對象是大氣中的粒子尺度和入射光的波長，當粒子尺度遠小于入射光波長時（小于波長的十分之一），則會發生瑞利散射。

散射強度隨顆粒尺寸及光波長變化曲線|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。根據瑞利散射理論，散射光強度與入射光的波長四次方成反比。也就是說，波長越短，散射強度越強。

瑞利散射示意圖|圖片來源[1]

當粒子尺度接近或大于入射光波長時產生米氏散射，當發生米氏散射時，其各方向上的散射光強度是不一樣的，米氏散射的散射強度與波長的二次方成反比。

米氏散射示意圖|圖片來源[1]

擁有了光散射的知識，接下來讓我們向天空的顏色進發吧！

天空的顏色

讓我們回想一個小時候的致命問題——天空為什么是藍色的？

當太陽光穿過大氣層時，發生瑞利散射，藍光波長短，散射強度更強，在散射光中，藍光占據優勢，因此天空呈現藍色，也就是其他顏色的光走“丟了”。

但是，紫光的波長更短，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，臭氧層會強烈地吸收紫外線（包括紫色光），因此我們在地面看到的天空不是紫色，而宇航員在太空看到的天空則是暗紫色。

有些小伙伴可能會疑問——可是，海水又為什么是藍色呢？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和海水的深度相關。

紅光波長較長，散射強度弱，在入射到海水的過程中大部分被海水所吸收，而波長較短的藍光則散射強度強，吸收較弱，所以我們經常看到海水呈現藍色。另外一個因素是水深,水越深,入射進海水中的光吸收越強。

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那么朝陽和夕陽呢？為什么紅光占據了優勢？

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

回到文章開頭，沙塵暴天氣時大氣中充滿大粒子塵埃，這時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大得多時發生的散射，散射強度與波長無關。大粒子塵埃使非選擇性散射占據主導地位，天空不再因為瑞利散射而呈現藍色，而是呈現出沙塵的顏色——土黃色。

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除此之外，奇異的顏色景觀還有很多，比如——超級藍血月！

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發生月全食時，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，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過地球大氣層折射之后照到月亮上。

月全食

由于光會受到地球大氣中比波長更小的微粒（如氣體分子）的散射，即瑞利散射，藍光基本上被散射掉，結果經地球大氣折射抵達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…藍月亮又是怎么回事呢？月亮：不是我，我不藍。

藍月亮的定義有兩種，一是指如果一個天文季節中出現了四次滿月，那么第三次滿月被稱作“藍月亮”、二是指一個月的第二個滿月稱作藍月亮。[2]

除了藍、紅，還有綠色啊！愛是一道光！

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極光通常出現在南北兩極附近地區，因為其絢麗多彩而備受追捧。除綠色外，人們也曾觀測到紅色、藍色等其他顏色的極光，甚至同時夾雜不同的顏色。

根據小學量子力學知識，粒子能量最低的態稱為基態，能量高于基態的稱為激發態。

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在基態和激發態之間切換時，會吸收和發射特定波長的光，波長則由兩種狀態之間的能量差所決定。

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

在最高海拔處，以原子氧為主，受激發的原子氧躍遷時常發射波長為630nm的光，呈現紅色，極光的顏色就會呈現出紅色。原子氧的濃度很低，所以只有在太陽活動很強烈的時期，才能看到紅色的極光。

當海拔高度較低時，粒子碰撞頻繁，抑制了形成紅光的過程，受激發的分子氮通過碰撞將能量傳遞給氧原子，此時微觀粒子的躍遷會發射波長為555.7nm的光，極光主要呈現出綠色。

或許在未來某個瑞利散射占主導的中午，或許某個米氏散射占主導的傍晚，也可能在南極大氣電離激發的自然現象的時候，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

[1]張珊珊.基于光散射原理的尾氣顆粒物檢測技術研究[J].計算機與數字工程,2019,47(05):1254-1257+1263.

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

[3]王晴.拉曼—偏振激光雷達的云相態探測與識別[D].西安理工大學,2020.

[4]寶樂爾.阿拉善盟一次區域性大風沙塵暴天氣過程成因分析[J].干旱區資源與環境,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,2004(12):50-51.

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