唐鴻洋

日出、日落時分，天空中所呈現(xiàn)出的“夕照紅于燒，晴空碧勝藍”的景象早已深入人心；然而，在某種特殊情況下，比如沙塵暴襲來時，人們會看到一種截然不同的夕陽景色——白色的太陽，有時候，因其周圍有藍色的光環(huán)而被稱作“藍太陽”。

這是什么原因造成的呢？

既然沒有沙塵暴時，夕陽是紅色的，有沙塵暴時，夕陽卻變成了白色的，那么，問題肯定出在空中飛揚的沙塵上，一定是它對太陽光動了什么手腳。

事實果真如此嗎？

事實確實如此。無論我們要討論的是沙塵暴天氣帶來的“白太陽”或“藍太陽”，還是晴天時的藍天和紅色落日，都離不開光的散射這一科學原理。

接下來，讓我們來了解什么是光的散射，以及如何利用該原理對我們所看到的天空、太陽的顏色變化做出科學說明。

首先，我們要了解什么是光的散射。當一束光通過質(zhì)地均勻的透明介質(zhì)時，比如上圖（a）中的清水，我們很難從玻璃缸的側(cè)面看到光束；但當我們向水中加入少許牛奶、豆?jié){等液體，將清水弄渾濁后，便可以在玻璃缸側(cè)面看到光束的傳播，如上圖（b）所示。

這種定向傳播的光束在介質(zhì)中傳播時，光向四面八方散開的現(xiàn)象便是光的散射現(xiàn)象。根據(jù)光的散射現(xiàn)象產(chǎn)生機制，可以推知，介質(zhì)中小顆粒的尺寸對散射的特性具有至關重要的作用。研究人員根據(jù)這一特點，依據(jù)介質(zhì)中的小顆粒物尺寸，將光的散射現(xiàn)象分為三類，如表格所示。

“一尺之捶，日取其半，萬世不竭?！痹谖覈?，最早可以追溯到春秋戰(zhàn)國時期，古人就已經(jīng)對物質(zhì)的組成進行了樸素的探討。現(xiàn)在，我們知道，把物質(zhì)分割到化學性質(zhì)不變的最小結(jié)構(gòu)就是分子或原子。這個觀點最早由阿伏伽德羅于1811年提出。因此，我們可以說物質(zhì)是由分子或原子構(gòu)成的。之后，人們又發(fā)現(xiàn)分子是由原子構(gòu)成的，原子則是由帶正電的原子核以及周圍包裹著的電子云構(gòu)成。由于正電荷分布中心與負電荷分布中心重合，且正負電量相等，因此，原子對外是電中性。

光可以被視為電磁波，因為我們可以用描述電磁波的理論來描述光。當光注入到介質(zhì)中后會引起原子或者分子的正負電中心分離，并且正負電中心將隨著光的周期性波動而受迫振動。我們稱正負電中心分離的原子或分子為偶極子，它們發(fā)生的受迫振動即為偶極振動。偶極振動會產(chǎn)生交變的電磁場，又向四面八方均勻地發(fā)出散射光。

如果我們可以令分子的空間分布極度不均勻，便可以讓分子間的散射光疊加不能全部為零，從而可以看到分子散射現(xiàn)象。在液態(tài)物質(zhì)接近超臨界態(tài)時，介質(zhì)內(nèi)部由于物態(tài)變化和分子熱運動等導致密度起伏大于光的波長且留存時間較長，就會產(chǎn)生光的散射現(xiàn)象，如上圖所示。隨著溫度升高，原本透明的流體突然變得像乳液一樣渾濁，該現(xiàn)象被稱為“臨界乳光現(xiàn)象”。值得一提的是，超臨界態(tài)在生活中并不常見，它是一種已經(jīng)無法區(qū)分液態(tài)和氣態(tài)的物質(zhì)存在形態(tài)。盡管它在日常生活中不常見，卻為我們做出了很大貢獻，例如超臨界態(tài)的二氧化碳是很好的大分子溶劑，它可以用來提取植物油、動物油等，并且不會對產(chǎn)品造成污染。

對于比分子尺度大的顆粒而言，如果散射顆粒尺度小于光波長，則此時的散射被稱為“瑞利散射”，其顆粒的尺寸要比光波小10倍，并且符合得更好。

最早研究光的散射現(xiàn)象的是英國物理學家約翰·丁達爾，他在1869年觀察到膠體溶液出現(xiàn)散射光柱，即我們中學化學就學過的丁達爾效應。同時期的另一位英國物理學家瑞利對該現(xiàn)象進行了深入研究，得出有關小顆粒瑞利散射光的兩個重要結(jié)論：第一，波長越短，散射效應越明顯。例如，藍光散射強度約為紅光的16倍。第二，瑞利得出了光強隨角度分布的公式，即將物理現(xiàn)象用數(shù)學語言嚴謹?shù)孛枋龀鰜怼?/p>

對于偏振情況，如果入射的是線偏振光，則瑞利散射光仍為線偏振光；若入射的是自然光，則垂直于軸觀測是線偏振光，沿軸觀測仍是自然光，其余方向則是部分偏振光。

若顆粒尺寸更大，大到不符合瑞利散射怎么辦？該情況以及相關理論由米和德拜通過金質(zhì)小球進行分析研究。因此，我們稱更大尺寸的顆粒對光的散射為“米氏散射”。

與瑞利散射不同，米氏散射不依賴于光波長，并且光強分布不再呈現(xiàn)前后對稱的形式。此外，米氏散射無明顯的顯色效應，因此，大顆粒的散射通常是顯白色的。

我們看到的藍色天空實際上是由于大氣分子和極小尺寸的微塵發(fā)生瑞利散射造成的。晴天的條件下，正午時分，天空由于其他位置的太陽光散射藍光而呈現(xiàn)藍色；日出、日落時分，由于太陽接近地平線，其藍色光被散射到其他位置，只剩下直射的紅色光，因此，日出、日落時的太陽就是紅色的。

跟可見光相比，水霧、煙霧、浮塵等顆粒的粒徑更大，因此，主要發(fā)生米氏散射。所以，我們看天上的云朵是白色的，因為小水滴帶來米氏散射；在海邊，海水是清澈透明的，但是浪花是白色的，這是由于浪花中的氣泡帶來米氏散射；至于沙塵暴中的“白太陽”和“藍光環(huán)”，則是由于沙塵對太陽光發(fā)生無顯色效應的米氏散射而產(chǎn)生的。

如果我們站在火星上會看到什么樣的太陽呢？由于火星的大氣充滿浮塵，所以日出、日落時分在火星看到的太陽也是白色的，周圍有藍色光環(huán)。