沙塵為何能把太陽“嚇”白了

唐鴻洋

日出、日落時分，天空中所呈現出的“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。當一束光通過質地均勻的透明介質時，比如上圖（a）中的清水，我們很難從玻璃缸的側面看到光束；但當我們向水中加入少許牛奶、豆漿等液體，將清水弄渾濁后，便可以在玻璃缸側面看到光束的傳播，如上圖（b）所示。

這種定向傳播的光束在介質中傳播時，光向四面八方散開的現象便是光的散射現象。根據光的散射現象產生機制，可以推知，介質中小顆粒的尺寸對散射的特性具有至關重要的作用。研究人員根據這一特點，依據介質中的小顆粒物尺寸，將光的散射現象分為三類，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國時期，古人就已經對物質的組成進行了樸素的探討。現在，我們知道，把物質分割到化學性質不變的最小結構就是分子或原子。這個觀點最早由阿伏伽德羅于1811年提出。因此，我們可以說物質是由分子或原子構成的。之后，人們又發現分子是由原子構成的，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，它們發生的受迫振動即為偶極振動。偶極振動會產生交變的電磁場，又向四面八方均勻地發出散射光。

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象。在液態物質接近超臨界態時，介質內部由于物態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，就會產生光的散射現象，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，該現象被稱為“臨界乳光現象”。值得一提的是，超臨界態在生活中并不常見，它是一種已經無法區分液態和氣態的物質存在形態。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，即將物理現象用數學語言嚴謹地描述出來。

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”，則是由于沙塵對太陽光發生無顯色效應的米氏散射而產生的。

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。