天空颜色与大气污染

任何艺术家都很难描述大自然中绚丽的晚霞和东方日出时的壮丽景色。但是很少有人知道我们看到的大多数颜色是由污染造成的。城市的夕阳与空气清新的乡村的夕阳不同。在一个非常干净无污染的环境中，日落的颜色是与众不同的。太阳是明亮的黄色，而邻近的天空呈现橙色和黄色。当夕阳慢慢消失在地平线下时，天空的颜色逐渐从橙色变成蓝色。即使在太阳消失后，靠近地平线的云会继续反射太阳光。因为天空的蓝色和被云反射的红色的太阳融合在一起，在更高的天空中的薄云显示红色的紫色。几分钟后，天空充满了浅蓝色，颜色逐渐加深并延伸到天空。但是在高度工业化的地区，当污染物以粒子的形式悬浮在空气中时，天空的颜色就完全不同了。圆形的太阳是橙色的，而天空是暗红色的。红光和阴影的差异反映了污染物的厚度。有时在日落之后，天空的两边会出现两种颜色，接近地平线的是暗红色，高于地平线的是深蓝色。当污染极其严重时，太阳看起来像一个暗红色的圆盘。甚至在它到达地平线之前，它的颜色就会逐渐褪色。为什么在清新的空气中，太阳看起来是黄色的，而天空却是蓝色的？19世纪末，英国物理学家瑞利于1871年首次解释了这一点。地球表面的人们透过空气散射的阳光看天空。在清洁、无污染的大气中，大部分散射是由空气中的分子(主要是氧和氮分子)引起的，其大小远小于可见光的波长。瑞利理论指出散射光强度与波长的四次方(I ∝ 1/λ 4)成反比。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，所以天空本身看起来是蓝色的。阳光直接穿透空气，在散射过程中失去大量蓝色，因此太阳本身呈现亮黄色。根据瑞利理论，当光波波长减小时，散射程度急剧增加。因此，波长最短的紫光散射最强，而靛蓝、蓝色和绿色光散射更少。那为什么我们看到的是蓝天而不是紫色和靛蓝色的天空？事实证明，当散射光穿过空气时，吸收会使空气失去大量能量。虽然波长很短的紫光和靛蓝光在穿过空气时有很强的散射，但同时也被空气强烈吸收。当阳光到达地面时，剩余的紫色和靛蓝光线不会散射太多。我们看到的天空的颜色是光谱中蓝色附近的混合颜色，它们显示的是蓝色天空的颜色。除了散射，阳光还被空气中的臭氧分子和水蒸气吸收。由于空气层散射和吸收的共同作用，最终到达地面的阳光消耗了大量的能量。正是因为在早上和晚上，太阳在空中走了很长一段距离，失去了太多的能量，我们才能享受壮丽的日出和美丽的日落风景。然而，在白天，太阳穿过大气层一小段距离，它的能量损失较少。这时，用肉眼直视太阳会让人头晕目眩，非常危险。就在太阳下山之前，你会看到一个明亮的红色圆环围绕着太阳圆盘。这种光晕是阳光被比空气分子大得多的尘埃粒子折射的结果，这些尘埃粒子通常悬浮在地球附近的空气中。光晕似乎从太阳圆盘的中心延伸了大约三倍。因为光晕延伸的角度取决于光波的波长和粒子的大小，所以估计折射粒子的直径大约是尘埃粒子的大小。如果一场大雨在秋天之前净化了空气，光晕通常在日落时是看不到的。瑞利未能清楚地解释污染空气的问题。尽管他的理论指出，光的散射强度会随着散射粒子的增加而急剧增加，但它只适用于比光波波长小得多的粒子，而不适用于直径大于0.025毫米的粒子(如空气分子)。在当今的工业社会中，污染物通常是悬浮粒子，由直径在0.01至10毫米之间的粒子组成。瑞利的理论不能解释这种情况。后来，古斯塔夫·米证明了大粒子的散射取决于粒子线性与波长之比，并在1908年提出了一个更普遍的理论，它涵盖了更大范围的粒子尺寸。这个理论指出，如果空气中有足够大的粒子，它们将决定散射。米氏散射理论可以解释我们在城市天空中看到的东西。粒子越大，散射越多。同时，散射效应取决于波长。散射不仅在光谱的蓝色区域很强，而且在绿色到黄色部分也很强。因此，穿过被大量污染污染的空气层的太阳光的强度减弱了很多，太阳看起来更红了，并且失去了它的蓝色、黄色和绿色成分。除了散射，臭氧和水蒸气也能吸收额外的光能。结果，圆圆的太阳显得又黑又橙。污染的空气中天空本身的颜色是什么？随着时间的推移，悬浮在空气中的污染物汇聚成一个完整的层，较大的颗粒在地面附近形成一个更致密的层。当阳光穿透这些层时，它会逐渐褪色，变成橘红色。散射光损失了大量波长较短的光波，结果红光主要被透射。天空是暗红色的。因为散射的红光穿过空气层中低密度的空气，所以红光越来越集中在地球表面附近。你看到的日落类型很大程度上取决于你所处的位置。在地面上，日落的亮度和颜色取决于季节和当地每天的大气条件。从高处看日出和日落是完全不同的。有时，日落之后，站在平台上的观察者可以看到一小部分从两侧地平线附近的空气中散射出来的阳光。日出时，在太阳升起之前可以看到散射光，而日落时，天空的颜色取决于大气条件。日出前天空中明亮的颜色，如橙色、紫色和深蓝色，表明东方大气相对未受污染。一旦太阳升起，大部分天空变成蓝色，只有一条狭窄的橙色和黄色带靠近地面。夜空可以揭示大气污染。自然“污染”也会影响天空的颜色，尤其是当火山释放的大量灰尘、热气和水蒸气进入大气层时。灰尘颗粒和其他颗粒最终在离地面15公里到20公里的地方聚集成层。空气层散射阳光的效果特别明显，而且色彩丰富。太阳看起来是蓝色或绿色的，尤其是在黄昏时，这可以在火山爆发几年后看到。这些迷人的场景无法弥补污染的危害，无论是自然的还是人为的。但是至少污染物颗粒通过色彩斑斓的天空颜色的微妙变化显示了它们的存在。一旦城市的夕阳出现暗红色，这是对我们的一个警告。我们应该禁止污染物排放到大气中。只有这样，我们才能确保后代能够继续享受晴朗的天空。