Redian新闻
>
舟山、福州惊现“血红色天空”,专家是这样解释的…

舟山、福州惊现“血红色天空”,专家是这样解释的…

科学


 

前几天,浙江舟山发生了一件怪事:傍晚的时候一大片天空变成了血红色。有人说这是火灾,有人说这是地震前兆,有人说是地磁活动或者太阳活动,还有人干脆说是UFO降临了。紧跟着,福州也出现了这种现象。


舟山血色天空

 

其实,官方媒体已经做出了说明:事发天空的位置刚好是舟山渔业公司的港口,港口上有艘远洋秋刀鱼捕鱼船,这种船有一百多个个灯杆,每个杆上有数片600瓦的捕鱼灯,捕鱼灯可以发出红光或者白光。当晚,刚好有渔业公司的人员在进行灯光测试,所以天空就被照红了。


秋刀鱼船的红色灯光


不过,灯光测试不是常见吗,为什么偏偏这次把天空照红了?

 

这其实是光线在特殊大气条件下造成的散射现象。本文希望通过简短的介绍,带着大家了解了解一下大气散射的基本原理,利用这个原理,我们不光能弄清楚此次红色天空的原理,还能解释为什么晴天的时候天空是蓝色的,为什么云是白色的,为什么朝阳和夕阳是红色的等问题。

 

一. 大气颗粒物

 

大家先思考一个问题:为什么在月亮上看天空,即使是白天,天空也是黑色的呢?这是因为:月球上没有大气。地球上大气中的颗粒物对光进行了散射,所以我们才看到天空整个都是明亮的。

 

大气中有哪些颗粒物呢?首先是气体分子,如氮气分子,氧气分子,还有二氧化碳分子、水蒸气分子等等,这些气体颗粒都很小,分子直径在1纳米(10-9m)以下。


 

大气主要由氮气和氧气组成

 

大气中还有一些大尺寸的颗粒。例如水蒸气液化形成的小水滴、近地面的灰尘颗粒等,它们的直径在微米量级(10-6m)。我们经常听说的pm2.5,就是直径为2.5微米的可吸入颗粒物。

 

二. 光的散射

  

光是一种电磁波,是电场和磁场相互激发形成的。电场和磁场都有波峰和波谷,两个相邻波峰之间的距离叫做一个波长。


 


可见光的波长范围大约是400纳米到700纳米,是气体分子直径的近千倍,但是可见光波长没有大气中的水滴和可吸入颗粒物的尺寸大。在可见光中,红光的波长最大,紫光波长最短,从红光到紫光依次是红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。

 


如果光照射到到大气中的各种尺寸的颗粒物上,一部分光就会被颗粒物吸收,转化成颗粒物的内能(热量),另一部分光会被颗粒物反弹后发射到其他方向,这就叫做光的散射。


光的散射

 

麦克斯韦发现了电磁波的普遍规律——麦克斯韦方程组,从这个方程出发,许多科学家求解出了颗粒物对光的散射规律。在颗粒物尺寸不一样的时候,规律有所差别,这也能解释不同天气条件下出现的不同现象。

 

三. 瑞利散射

 

在颗粒物的尺寸远远小于入射光波长时,散射称为瑞利散射,由著名科学家、第三代瑞利男爵发现。在晴朗干净的大气中,颗粒物主要是气体分子,直径远远小于可见光。当光线照射到这些颗粒物时,就会发生瑞利散射。

 

約翰·斯特拉特,第三代瑞利男爵

 

瑞利提出了瑞利散射公式,我们忽略公式中一些不好理解的项,主要探讨散射光强度I与波长λ和角度θ的关系:


(1) 瑞利散射时,不同方向的散射强度不同。观察公式中有cos2θ项,这造成了瑞利散射时前、后两个方向散射强度最大,侧向散射强度最小,散射强度分布成一个花生的形状。

 

瑞利散射的散射强度分布

 

(2)瑞利散射时散射强度I与入射光波长λ的四次方成反比。波长越短,散射光越强。大气中波长最短的光是蓝紫色,这种光散射能力最强。波长最长的光是红光,散射能力最差,最容易穿透大气。


短波长的光更容易被大气分子瑞利散射


而且,红光的波长是700多纳米,蓝光的波长大约是400多纳米,根据公式你很容易计算出:蓝光散射的能力是红光的9倍左右。
不同波长的光的瑞利散射能力


正是因为蓝光的散射能力强,所以在白天,白色的阳光穿过大气,蓝光被大气强烈散射,让天空中除了太阳之外其他的位置都变成了蓝色。长波长的光散射弱,更多直接穿透大气到达地面,如果直接看太阳,颜色是白色偏黄。


蓝光被散射,天空是蓝色,太阳是黄白色


且慢,我们说波长越短散射越强,那波长最短的可见光不是紫光吗?为什么天空不是紫色的?


这是因为:紫光在可见光中的能量比较少,而且,人的眼睛对紫色光也不敏感,所以虽然紫光散射比蓝光更强,但是我们却看不到紫色的天空。

阳光中不同波长的能量分布


利用瑞利散射还可以解释为什么朝阳和夕阳是红色的。在早晨和晚上,由于太阳高度角小,阳光需要穿透厚厚的大气层才能到达我们的眼睛,在这个过程中短波长的光几乎都被散射殆尽,能够到达我们眼睛的只剩下散射能力最差,波长最长的红光。


 

白天太阳是黄白色,傍晚太阳是红色


有时候,两种情况还会结合在一起:在太阳落山后,阳光通过大气的折射作用还能到达我们,此时低空是红色,高空是蓝色,形成非常漂亮的分层天空。


上层:蓝光散射形成蓝色;下层:红光穿透性强形成红色


在家里也可以通过实验模拟这个过程:在一个装水的鱼缸中滴入几滴牛奶,牛奶就形成了散射的颗粒物。再用一个发射白光的手电筒照射鱼缸,你会发现鱼缸中的水由于光的散射作用变成了蓝色。如果你从另一边观察手电筒的透射光,它会由于缺乏蓝光而变得偏黄。

模拟蓝天和黄日


四. 米散射


不过,天空不总是蓝色的。阴天、下雨的时候,天空总是白茫茫的一片,这是为什么? 我们需要用另一种散射——米散射来解释。

 

当颗粒物的尺寸相比于光的波长比较大,大约在0.1倍波长到100倍波长之间时,散射规律叫做米散射,由德国科学家古斯塔夫.米发现。


古斯塔夫.米


之前我们讲到:光是一种电磁波,满足麦克斯韦电磁学方程组。米从电磁学方程组出发,推导出了真空中球形颗粒物对光散射的完整规律,只需要给出散射球的半径、折射率和光的波长,就能唯一的计算出散射结果。看起来这是个非常漂亮的工作对吗?那请大家体会一下米散射方程吧。


米散射方程

 

在米散射方程中充斥了各种看不懂的字母,方程形式异常复杂,所以在散射物小,光的波长长时,我们一般使用米散射的近似结果——瑞利散射。而在颗粒物尺寸很大,光波长很短的时候,就是用另一种近似结果——几何光学。只有在颗粒物尺寸介于0.1倍光波长到100倍光波长之间时,我们才会被迫使用米散射。


米散射的特点和瑞利散射显著不同,瑞利散射是前后对称的,而米散射向前占优势,呈现出星状放射性的强度分布。


米散射典型情况

我们可以在不同颗粒物尺寸和光的波长时,计算球体的总散射强度,如下图所示:横坐标是颗粒物尺寸与光波长之比,纵坐标代表了散射强度。你会发现:米散射大约分成两个区域粒物比较小、光波长比较长时的瑞利散射区域和颗粒物比较大、光波长比较短时的米散射区域。

不同颗粒尺寸、波长时散射能力

而且,在瑞利散射时,光的波长越短,散射强度越大;但是到了米散射区域后,随着波长变化,散射强度几乎不变!这就是我们要的结论:当大气中的颗粒物达到光波长的十分之一以上时,不同颜色的光散射能力几乎没有差别。

用这个理论就能解释为什么云彩是白色的了。云彩是由许多小水滴构成的,这些小水滴尺寸很大,对光线产生米散射——各种颜色的光几乎等比例的散射。散射光依然各种成分都有,混合起来就是白光。在大雾天,上下都是白茫茫一片,也是因为空气中有大量的大尺寸水滴,对阳光发生了米散射。

云彩对阳光产生了米散射

用米散射理论就能解释舟山红色天空事件了。当时舟山地区有雾,空气中水量丰富,为米散射提供了很好的气象条件。此时渔船打开红色的灯光,这些红光照到空中,被水滴散射,向四面八方发射出去。进入到人们的眼睛,看上去就形成了红彤彤的一片。注意:假如没有雾,光线在大气中只能发生瑞利散射,而红光波常常,对瑞利散射的的穿透性很强,就容易直接穿透空气射向天空,没办法照亮一大片天空了,这就是没有雾的时候为什么不会出现这种情景。

我说的这些对不对呢?其实很好验证,做个实验就好了。5月10日,舟山渔业公司又开启了秋刀鱼船的捕鱼灯,结果天空再次变红,验证了之前的猜测。

 秋刀鱼船

 

也许有同学会说:看起来这个现象并不复杂,只要有红色光源,大气中有足够大的颗粒就能出现,那为啥我从没看过红色天空?其实这个现象的确不罕见,你有没有在雾霾天开车的经历?在前车如果突然急刹车,或者交通灯红灯亮起,你的眼前可能一片红光,这就是雾霾对光的散射。

 雾天中的红灯

再比如澳大利亚和美国发生森林大火的时候,大量的灰尘颗粒被卷到天空中,天空也是血红色的。

美国大火中的城市天空

 

现在,你明白舟山和福州的“红色天空”是怎么回事了吗?



补充:如果小伙伴们想自己计算一下米散射,可以点击这个网站,只需要输入散射颗粒的直径、光的波长、折射率等信息,就能帮你算出各个方向的散射情况。

Omlc.org/calc/mie_calc.html
 
比如:我取颗粒物直径0.001微米,模拟大气分子。光的波长0.55微米,这是可见光的中值波长。

计算的结果如下图所示:

很明显,这是典型的瑞利散射。
 
如果我们把颗粒物尺寸改为1微米,其他条件不变,就会得到下面的图:


你看,这就是米散射的情况。


END

往期推荐



微信扫码关注该文公众号作者

戳这里提交新闻线索和高质量文章给我们。
相关阅读
npj: 新型光催化剂开发—使用会解释的机器学习什么原因?男子突然给执法人员下跪!夜航记者采访的事实是这样的……挪威路边惊现“尸体”,警方严阵以待派出大批人马,结果…就这??!投资16亿!“白衣骑士”拯救汇源果汁:80亿债务准备这样解决……投基金,每月保证赚5%?有人21万“血本无归”,真相竟是…腾讯“看空”《梦华录》“安倍之死,给‘岸田文雄们’留下巨大真空”能解释为愚蠢的,就不要解释为恶意专家说胃肠肿瘤患者术后营养不良多是这样造成的,严重后果在这里纽约惊现“城中大盗”!珠宝店老板带头疯狂“作业”:洗漱品、奢侈品无所不偷,总价值达2500万网红牛奶中检出“丙二醇”,究竟哪个环节出了问题?专家给出解释美国和俄罗斯我更喜欢谁?洛杉矶紫色天堂就来这些地方和短暂的蓝花楹绽放相遇吧小红书惊现“墨尔本Sneakboy柜员”6折潮鞋,机智买家三下五除二逼骗子自爆卡车,主动退款$800澳元高手在民间林专家说爱国就是把钱花光,纠正屁话不难,匡正人心难 | 天空之城药方记让他给你解释解释,什么叫影帝!注意!维州多个加油站惊现“污染油”,致引擎受损,汽车故障频发,维修费用巨大真实投资人朋友圈大揭秘,原来他们在生活中是这样的……吴秀波“血亏”,知名导演也踩雷!这家上市公司第二大股东拟清仓减持,5.5亿投资或仅能收回7500万那些浸泡在谎言中的灵魂拉开窗帘惊现“悬浮狗头”,还冲网友鬼魅一笑…恐怖又好笑哈哈哈哈哈哈!“国字脸”的网红猴 & 西藏夜空突现“红色精灵”【讲给孩子听的新闻】哈尔滨一浴池更衣室惊现摄像头!真相竟然是这样……3胎后4天怒减8斤逆袭预定热搜!可她脖子上的大片血红是啥…经验大放送 | 数学150,专业课139,总分449,浙大本科上岸人大统院,专业第一来助阵俄急需军备,中国有贼心无贼胆干瞪眼惊奇!浙江突现血红天空!赤色浓如血重现252年前那晚异象浙江出现诡异血红色天空,这是又有道友在渡劫?三招打败“血管里的坏家伙”,预防脑梗、心梗!对质疑“上海无症状感染者比例高”解释的统一回复春末夏初的五月,我这些天的生活是这样的…哈尔滨惊现“网红坡”,冲坡后啥感觉?疼!二氧化碳制“粮油”,中国科学家是如何变废为宝的? | 科技袁人
logo
联系我们隐私协议©2024 redian.news
Redian新闻
Redian.news刊载任何文章,不代表同意其说法或描述,仅为提供更多信息,也不构成任何建议。文章信息的合法性及真实性由其作者负责,与Redian.news及其运营公司无关。欢迎投稿,如发现稿件侵权,或作者不愿在本网发表文章,请版权拥有者通知本网处理。