從物理學(xué)角度看天空顏色與大氣污染的關(guān)系

　　導(dǎo)讀：高二生們，大家是否知道我們目睹的大部分顏色是污染造成的？下面，讓我們一起來談?wù)勌炜疹伾�與大氣污染的關(guān)系吧。

　　自然界中絢麗多彩的晚霞和日出東方時的壯麗景象是任何一位藝術(shù)家都難以描繪的。但是很少有人知道，我們目睹的大部分顏色是污染造成的。城市的落日和空氣清新的鄉(xiāng)村落日是不同的。

　　在非常潔凈、未受污染的大氣中，落日的顏色特點鮮明。太陽是燦爛的黃色，同時鄰近的天空呈現(xiàn)出橙色和黃色。當(dāng)落日緩緩地消失在地平線下面時，天空的顏色逐漸從橙色變?yōu)樗{(lán)色。即使太陽消失以后，貼近地平線的云層仍會繼續(xù)反射著太陽的光芒。因為天空的藍(lán)色和云層反射的紅色太陽光融合在一起，所以較高天空中的薄云呈現(xiàn)出紅紫色。幾分鐘后，天空充滿了淡淡的藍(lán)色，它的顏色逐漸加深，向高空延展。但在一個高度工業(yè)化的區(qū)域，當(dāng)污染物以微粒的形式懸浮在空中時，天空的顏色就截然不同了。圓圓的太陽呈現(xiàn)出桔紅色，同時天空一片暗紅。紅色明暗的不同反映著污染物的厚度。有時落日以后，兩邊的天空出現(xiàn)兩道寬寬的顏色，地平線附近是暗紅色的，而它的上方是暗藍(lán)色。當(dāng)污染格外嚴(yán)重時，太陽看上去就像一只暗紅色的圓盤。甚至在它達(dá)到地平線之前，它的顏色就會逐漸褪去。

　　為什么在潔凈的空氣中太陽呈現(xiàn)出黃色，同時天空呈現(xiàn)出藍(lán)色呢?在19世紀(jì)末期，英國物理學(xué)家瑞利在1871年首先對此作出了解釋。在地球表面的人是透過經(jīng)空氣散射的太陽光來看天空的。在潔凈的、未受污染的大氣中，大部分的散射是空氣中的分子(主要是氧和氮分子)引起的，這些分子的大小比可見光的波長要小得多。瑞利理論指出，散射光強和波長的四次方成反比(Ｉ∝１／λ４)，在這種情況下，散射主要影響波長較短的光。因為藍(lán)色位于光譜的后面，所以天空本身呈現(xiàn)出藍(lán)色。太陽光直接穿透空氣，在散射過程中它失去許多藍(lán)色，所以太陽本身呈現(xiàn)出燦爛的黃色。

　　根據(jù)瑞利的理論，當(dāng)光波波長減少時，散射的程度急劇加強。所以光波波長最短的紫色光應(yīng)該散射最強，靛青、藍(lán)色和綠色的光散射要少得多。那么為什么我們看見的是藍(lán)天，而不是紫色和靛色的天空呢?原來當(dāng)散射光穿過空氣時，吸收使它喪失了許多能量，波長很短的紫光和靛光雖然在穿過空氣時，散射很強烈，但同時它們也被空氣強烈地吸收，陽光到達(dá)地面時，所剩的紫色和靛色的散射并不多。我們所目睹的天空顏色是光譜中藍(lán)色附近顏色的混合色，它們呈現(xiàn)出來的就是蔚藍(lán)天空的顏色。

　　除了散射外，太陽光還被空氣中的臭氧分子和水蒸氣所吸收。因為空氣層散射和吸收的共同作用，最終到達(dá)地面的太陽光消耗了許多能量。正因為早晨和傍晚，太陽光經(jīng)過空氣的路程長，能量損失過多，所以我們可以欣賞壯麗日出和美麗的日落景色。而在白天，陽光在大氣中經(jīng)過的路程短，它的能量損失少，這時用肉眼直視太陽會使人頭暈?zāi)垦�，是很危險的。

　　在太陽剛剛落山前，你會看到太陽圓盤的周圍有一圈燦爛的紅色光環(huán)。這個光環(huán)是太陽光被遠(yuǎn)大于空氣分子的灰塵顆粒——通常它們是懸浮在地球附近空中的——折射的結(jié)果。這個光環(huán)看上去從太陽圓盤的中心向外延伸了大約3倍。因為光環(huán)延伸的角度取決于光波波長和微粒的大小，所以估計折射的顆粒直徑大約為塵埃顆粒的大小。如果一陣大雨在落日前清洗了一遍空氣的話，在落日時通常就看不到這個光環(huán)。瑞利未能明確地解釋受污染的空氣問題。雖然他的理論指出了光的散射強度將隨著散射顆粒的增大而急劇增強，但它只適用于比光波波長小得多的微粒，對于直徑超過0.025毫米的顆粒（例如空氣分子）就不適用了。在當(dāng)今的工業(yè)社會，污染物通常是懸浮的微粒，它們由直徑從0.01到10毫米不等的微粒組成。瑞利的理論不能解釋這種情況。后來，戈什塔夫·米證明了大粒子的散射取決于粒子線度與波長的比值，并于1908年提出了一個更為普遍的理論，它所覆蓋的顆粒大小范圍更大。這個理論指出，如果空氣中有足夠大的顆粒，它們將決定散射的情況。米氏的散射理論可以解釋我們看見的城市天空的景象，顆粒越大，散射越多，同時散射的效果取決于波長。散射不僅在光譜的藍(lán)色區(qū)域強烈，而且在綠色到黃色部分也很強。

　　所以，穿過了受到很多污染的空氣層的太陽光的強度削弱了許多，太陽看上去更紅一些，它已經(jīng)失去它的藍(lán)色、黃色和綠色成分。除了散射外，像臭氧和水蒸汽還會額外地吸收光能。結(jié)果圓圓的太陽呈現(xiàn)出黯淡、桔紅的顏色。那么在受污染的空氣中，天空本身的顏色又如何呢?懸浮在空中的污染物，時間一久便會聚集成層，較大的顆粒在地面附近形成了較濃密層。當(dāng)太陽光穿透這些層時，它逐漸褪色，呈現(xiàn)出桔紅色。散射的光失去了大量波長較短的光波，結(jié)果主要是紅光得以穿透。天空呈現(xiàn)出暗紅色；因為散射的紅光要穿過空氣層中較低的、愈來愈濃密的空氣，所以在地球表面附近紅色越來越濃。你所看到的落日的類型主要取決于你所處的地方。在地面上，落日的亮度和顏色取決于季節(jié)和當(dāng)?shù)孛刻斓拇髿鉅顩r。人在高處所看見的日出和日落的景色完全不同。有時日落后，站在平臺上的觀察者能看到貼近兩面地平線的一小部分空氣散射的陽光。

　　日出時，在太陽升起之前，散射的光便可以看見，而對于落日而言，天空的顏色取決于大氣狀況。日出之前天空中呈現(xiàn)的鮮艷的顏色，例如橙黃色、紫色和深藍(lán)色，表明東面的大氣相對而言沒受污染。一旦太陽升起來，大部分天空變成了藍(lán)色，只有在貼近地面的部分呈現(xiàn)出一段狹窄的橙色和黃色。

　　傍晚的天空能揭示出大氣受污染的情況。天然的“污染”也會影響天空顏色，尤其是火山噴發(fā)出的大量的灰塵、熱氣體和水蒸汽進(jìn)入大氣時�；覊m的顆粒和其他一些微粒最終在離地面15千米到20千米之間的地方聚集成層。這個空氣層散射太陽光的效果格外明顯，絢麗多彩，太陽呈現(xiàn)出藍(lán)色或綠色，尤其是在黃昏時分，火山噴發(fā)幾年之后還能看到這種景象。

　　這些引人入勝的景色并不能彌補污染的危害，無論污染是天然的還是人為的。但至少污染物顆粒通過絢麗多彩的天空顏色的微妙變化顯示了它們的存在。城市日落一旦出現(xiàn)暗紅色，那便是對我們的警告。我們應(yīng)當(dāng)禁止污染物排入大氣，只有這樣，才能保證我們的子孫后代能夠繼續(xù)欣賞到明朗的天空。