沙尘为何能把太阳“吓”白了

2022-04-18唐鸿洋

百科知识 2022年7期

关键词：瑞利散射米氏沙尘暴

唐鸿洋

日出、日落时分，天空中所呈现出的“夕照红于烧，晴空碧胜蓝”的景象早已深入人心；然而，在某种特殊情况下，比如沙尘暴袭来时，人们会看到一种截然不同的夕阳景色——白色的太阳，有时候，因其周围有蓝色的光环而被称作“蓝太阳”。

这是什么原因造成的呢？

既然没有沙尘暴时，夕阳是红色的，有沙尘暴时，夕阳却变成了白色的，那么，问题肯定出在空中飞扬的沙尘上，一定是它对太阳光动了什么手脚。

事实果真如此吗？

事实确实如此。无论我们要讨论的是沙尘暴天气带来的“白太阳”或“蓝太阳”，还是晴天时的蓝天和红色落日，都离不开光的散射这一科学原理。

接下来，让我们来了解什么是光的散射，以及如何利用该原理对我们所看到的天空、太阳的颜色变化做出科学说明。

首先，我们要了解什么是光的散射。当一束光通过质地均匀的透明介质时，比如上图（a）中的清水，我们很难从玻璃缸的侧面看到光束；但当我们向水中加入少许牛奶、豆浆等液体，将清水弄浑浊后，便可以在玻璃缸侧面看到光束的传播，如上图（b）所示。

这种定向传播的光束在介质中传播时，光向四面八方散开的现象便是光的散射现象。根据光的散射现象产生机制，可以推知，介质中小颗粒的尺寸对散射的特性具有至关重要的作用。研究人员根据这一特点，依据介质中的小颗粒物尺寸，将光的散射现象分为三类，如表格所示。

“一尺之捶，日取其半，万世不竭。”在我国，最早可以追溯到春秋战国时期，古人就已经对物质的组成进行了朴素的探讨。现在，我们知道，把物质分割到化学性质不变的最小结构就是分子或原子。这个观点最早由阿伏伽德罗于1811年提出。因此，我们可以说物质是由分子或原子构成的。之后，人们又发现分子是由原子构成的，原子则是由带正电的原子核以及周围包裹着的电子云构成。由于正电荷分布中心与负电荷分布中心重合，且正负电量相等，因此，原子对外是电中性。

光可以被视为电磁波，因为我们可以用描述电磁波的理论来描述光。当光注入到介质中后会引起原子或者分子的正负电中心分离，并且正负电中心将随着光的周期性波动而受迫振动。我们称正负电中心分离的原子或分子为偶极子，它们发生的受迫振动即为偶极振动。偶极振动会产生交变的电磁场，又向四面八方均匀地发出散射光。

如果我们可以令分子的空间分布极度不均匀，便可以让分子间的散射光叠加不能全部为零，从而可以看到分子散射现象。在液态物质接近超临界态时，介质内部由于物态变化和分子热运动等导致密度起伏大于光的波长且留存时间较长，就会产生光的散射现象，如上图所示。随着温度升高，原本透明的流体突然变得像乳液一样浑浊，该现象被称为“临界乳光现象”。值得一提的是，超临界态在生活中并不常见，它是一种已经无法区分液态和气态的物质存在形态。尽管它在日常生活中不常见，却为我们做出了很大贡献，例如超临界态的二氧化碳是很好的大分子溶剂，它可以用来提取植物油、动物油等，并且不会对产品造成污染。

对于比分子尺度大的颗粒而言，如果散射颗粒尺度小于光波长，则此时的散射被称为“瑞利散射”，其颗粒的尺寸要比光波小10倍，并且符合得更好。

最早研究光的散射现象的是英国物理学家约翰·丁达尔，他在1869年观察到胶体溶液出现散射光柱，即我们中学化学就学过的丁达尔效应。同时期的另一位英国物理学家瑞利对该现象进行了深入研究，得出有关小颗粒瑞利散射光的两个重要结论：第一，波长越短，散射效应越明显。例如，蓝光散射强度约为红光的16倍。第二，瑞利得出了光强随角度分布的公式，即将物理现象用数学语言严谨地描述出来。

对于偏振情况，如果入射的是线偏振光，则瑞利散射光仍为线偏振光；若入射的是自然光，则垂直于轴观测是线偏振光，沿轴观测仍是自然光，其余方向则是部分偏振光。

若颗粒尺寸更大，大到不符合瑞利散射怎么办？该情况以及相关理论由米和德拜通过金质小球进行分析研究。因此，我们称更大尺寸的顆粒对光的散射为“米氏散射”。