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  • 天空的颜色与大气污染_物理论文

      自然界中绚丽多彩的晚霞和日出东方时的壮丽景象是任何一位艺术家都难以描绘的。但是很少有人知道,我们目睹的大部分颜色是污染造成的。城市的落日和空气清新的乡村落日是不同的。

      在非常洁净、未受污染的大气中,落日的颜色特点鲜明。太阳是灿烂的黄色,同时邻近的天空呈现出橙色和黄色。当落日缓缓地消失在地平线下面时,天空的颜色逐渐从橙色变为蓝色。即使太阳消失以后,贴近地平线的云层仍会继续反射着太阳的光芒。因为天空的蓝色和云层反射的红色太阳光融合在一起,所以较高天空中的薄云呈现出红紫色。几分钟后,天空充满了淡淡的蓝色,它的颜色逐渐加深,向高空延展。但在一个高度工业化的区域,当污染物以微粒的形式悬浮在空中时,天空的颜色就截然不同了。圆圆的太阳呈现出桔红色,同时天空一片暗红。红色明暗的不同反映着污染物的厚度。有时落日以后,两边的天空出现两道宽宽的颜色,地平线附近是暗红色的,而它的上方是暗蓝色。当污染格外严重时,太阳看上去就像一只暗红色的圆盘。甚至在它达到地平线之前,它的颜色就会逐渐褪去。

      为什么在洁净的空气中太阳呈现出黄色,同时天空呈现出蓝色呢?在19世纪末期,英国物理学家瑞利在1871年首先对此作出了解释。在地球表面的人是透过经空气散射的太阳光来看天空的。在洁净的、未受污染的大气中,大部分的散射是空气中的分子(主要是氧和氮分子)引起的,这些分子的大小比可见光的波长要小得多。瑞利理论指出,散射光强和波长的四次方成反比(∝1/λ4),在这种情况下,散射主要影响波长较短的光。因为蓝色位于光谱的后面,所以天空本身呈现出蓝色。太阳光直接穿透空气,在散射过程中它失去许多蓝色,所以太阳本身呈现出灿烂的黄色。

      根据瑞利的理论,当光波波长减少时,散射的程度急剧加强。所以光波波长最短的紫色光应该散射最强,靛青、蓝色和绿色的光散射要少得多。那么为什么我们看见的是蓝天,而不是紫色和靛色的天空呢?原来当散射光穿过空气时,吸收使它丧失了许多能量,波长很短的紫光和靛光虽然在穿过空气时,散射很强烈,但同时它们也被空气强烈地吸收,阳光到达地面时,所剩的紫色和靛色的散射并不多。我们所目睹的天空颜色是光谱中蓝色附近颜色的混合色,它们呈现出来的就是蔚蓝天空的颜色。

      除了散射外,太阳光还被空气中的臭氧分子和水蒸气所吸收。因为空气层散射和吸收的共同作用,最终到达地面的太阳光消耗了许多能量。正因为早晨和傍晚,太阳光经过空气的路程长,能量损失过多,所以我们可以欣赏壮丽日出和美丽的日落景色。而在白天,阳光在大气中经过的路程短,它的能量损失少,这时用肉眼直视太阳会使人头晕目眩,是很危险的。

      在太阳刚刚落山前,你会看到太阳圆盘的周围有一圈灿烂的红色光环。这个光环是太阳光被远大于空气分子的灰尘颗粒——通常它们是悬浮在地球附近空中的——折射的结果。这个光环看上去从太阳圆盘的中心向外延伸了大约3倍。因为光环延伸的角度取决于光波波长和微粒的大小,所以估计折射的颗粒直径大约为尘埃颗粒的大小。如果一阵大雨在落日前清洗了一遍空气的话,在落日时通常就看不到这个光环。瑞利未能明确地解释受污染的空气问题。虽然他的理论指出了光的散射强度将随着散射颗粒的增大而急剧增强,但它只适用于比光波波长小得多的微粒,对于直径超过0.025毫米的颗粒(例如空气分子)就不适用了。在当今的工业社会,污染物通常是悬浮的微粒,它们由直径从0.01到10毫米不等的微粒组成。瑞利的理论不能解释这种情况。后来,戈什塔夫·米证明了大粒子的散射取决于粒子线度与波长的比值,并于1908年提出了一个更为普遍的理论,它所覆盖的颗粒大小范围更大。这个理论指出,如果空气中有足够大的颗粒,它们将决定散射的情况。米氏的散射理论可以解释我们看见的城市天空的景象,颗粒越大,散射越多,同时散射的效果取决于波长。散射不仅在光谱的蓝色区域强烈,而且在绿色到黄色部分也很强。

      所以,穿过了受到很多污染的空气层的太阳光的强度削弱了许多,太阳看上去更红一些,它已经失去它的蓝色、黄色和绿色成分。除了散射外,像臭氧和水蒸汽还会额外地吸收光能。结果圆圆的太阳呈现出黯淡、桔红的颜色。那么在受污染的空气中,天空本身的颜色又如何呢?悬浮在空中的污染物,时间一久便会聚集成层,较大的颗粒在地面附近形成了较浓密层。当太阳光穿透这些层时,它逐渐褪色,呈现出桔红色。散射的光失去了大量波长较短的光波,结果主要是红光得以穿透。天空呈现出暗红色;因为散射的红光要穿过空气层中较低的、愈来愈浓密的空气,所以在地球表面附近红色越来越浓。你所看到的落日的类型主要取决于你所处的地方。在地面上,落日的亮度和颜色取决于季节和当地每天的大气状况。人在高处所看见的日出和日落的景色完全不同。有时日落后,站在平台上的观察者能看到贴近两面地平线的一小部分空气散射的阳光。

      日出时,在太阳升起之前,散射的光便可以看见,而对于落日而言,天空的颜色取决于大气状况。日出之前天空中呈现的鲜艳的颜色,例如橙黄色、紫色和深蓝色,表明东面的大气相对而言没受污染。一旦太阳升起来,大部分天空变成了蓝色,只有在贴近地面的部分呈现出一段狭窄的橙色和黄色。

      傍晚的天空能揭示出大气受污染的情况。天然的“污染”也会影响天空颜色,尤其是火山喷发出的大量的灰尘、热气体和水蒸汽进入大气时。灰尘的颗粒和其他一些微粒最终在离地面15千米到20千米之间的地方聚集成层。这个空气层散射太阳光的效果格外明显,绚丽多彩,太阳呈现出蓝色或绿色,尤其是在黄昏时分,火山喷发几年之后还能看到这种景象。

      这些引人入胜的景色并不能弥补污染的危害,无论污染是天然的还是人为的。但至少污染物颗粒通过绚丽多彩的天空颜色的微妙变化显示了它们的存在。城市日落一旦出现暗红色,那便是对我们的警告。我们应当禁止污染物排入大气,只有这样,才能保证我们的子孙后代能够继续欣赏到明朗的天空。
     

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