舟山、福州惊现“血红色天空”，专家是这样解释的…

前几天，浙江舟山发生了一件怪事：傍晚的时候一大片天空变成了血红色。有人说这是火灾，有人说这是地震前兆，有人说是地磁活动或者太阳活动，还有人干脆说是UFO降临了。紧跟着，福州也出现了这种现象。

舟山血色天空

其实，官方媒体已经做出了说明：事发天空的位置刚好是舟山渔业公司的港口，港口上有艘远洋秋刀鱼捕鱼船，这种船有一百多个灯杆，每个杆上有数片600瓦的捕鱼灯，捕鱼灯可以发出红光或者白光。当晚，刚好有渔业公司的人员在进行灯光测试，所以天空就被照红了。

秋刀鱼船的红色灯光

不过，灯光测试不是常见吗，为什么偏偏这次把天空照红了？

这其实是光线在特殊大气条件下造成的散射现象。本文希望通过简短的介绍，带着大家了解了解一下大气散射的基本原理，利用这个原理，我们不光能弄清楚此次红色天空的原理，还能解释为什么晴天的时候天空是蓝色的，为什么云是白色的，为什么朝阳和夕阳是红色的等问题。

大气颗粒物

大家先思考一个问题：为什么在月亮上看天空，即使是白天，天空也是黑色的呢？这是因为：月球上没有大气。地球上大气中的颗粒物对光进行了散射，所以我们才看到天空整个都是明亮的。

大气中有哪些颗粒物呢？首先是气体分子，如氮气分子，氧气分子，还有二氧化碳分子、水蒸气分子等等，这些气体颗粒都很小，分子直径在1纳米（10^(-9)m）以下。

大气主要由氮气和氧气组成

大气中还有一些大尺寸的颗粒。例如水蒸气液化形成的小水滴、近地面的灰尘颗粒等，它们的直径在微米量级（10^(-6)m）。我们经常听说的pm2.5，就是直径为2.5微米的可吸入颗粒物。

光的散射

光是一种电磁波，是电场和磁场相互激发形成的。电场和磁场都有波峰和波谷，两个相邻波峰之间的距离叫做一个波长。

可见光的波长范围大约是400纳米到700纳米，是气体分子直径的近千倍，但是可见光波长没有大气中的水滴和可吸入颗粒物的尺寸大。在可见光中，红光的波长最大，紫光波长最短，从红光到紫光依次是红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。

如果光照射到大气中的各种尺寸的颗粒物上，一部分光就会被颗粒物吸收，转化成颗粒物的内能（热量），另一部分光会被颗粒物反弹后发射到其他方向，这就叫做光的散射。

光的散射

麦克斯韦发现了电磁波的普遍规律——麦克斯韦方程组，从这个方程出发，许多科学家求解出了颗粒物对光的散射规律。在颗粒物尺寸不一样的时候，规律有所差别，这也能解释不同天气条件下出现的不同现象。

瑞利散射

在颗粒物的尺寸远远小于入射光波长时，散射称为瑞利散射，由著名科学家、第三代瑞利男爵发现。在晴朗干净的大气中，颗粒物主要是气体分子，直径远远小于可见光。当光线照射到这些颗粒物时，就会发生瑞利散射。

約翰·斯特拉特，第三代瑞利男爵

瑞利提出了瑞利散射公式，我们忽略公式中一些不好理解的项，主要探讨散射光强度I与波长λ和角度θ的关系：

（1） 瑞利散射时，不同方向的散射强度不同。观察公式中有cos²θ项，这造成了瑞利散射时前、后两个方向散射强度最大，侧向散射强度最小，散射强度分布成一个花生的形状。

瑞利散射的散射强度分布

（2）瑞利散射时散射强度I与入射光波长λ的四次方成反比。波长越短，散射光越强。大气中波长最短的光是蓝紫色，这种光散射能力最强。波长最长的光是红光，散射能力最差，最容易穿透大气。

短波长的光更容易被大气分子瑞利散射

而且，红光的波长是700多纳米，蓝光的波长大约是400多纳米，根据公式你很容易计算出：蓝光散射的能力是红光的9倍左右。

不同波长的光的瑞利散射能力

正是因为蓝光的散射能力强，所以在白天，白色的阳光穿过大气，蓝光被大气强烈散射，让天空中除了太阳之外其他的位置都变成了蓝色。长波长的光散射弱，更多直接穿透大气到达地面，如果直接看太阳，颜色是白色偏黄。

蓝光被散射，天空是蓝色，太阳是黄白色

且慢，我们说波长越短散射越强，那波长最短的可见光不是紫光吗？为什么天空不是紫色的？

这是因为：紫光在可见光中的能量比较少，而且，人的眼睛对紫色光也不敏感，所以虽然紫光散射比蓝光更强，但是我们却看不到紫色的天空。

阳光中不同波长的能量分布

利用瑞利散射还可以解释为什么朝阳和夕阳是红色的。在早晨和晚上，由于太阳高度角小，阳光需要穿透厚厚的大气层才能到达我们的眼睛，在这个过程中短波长的光几乎都被散射殆尽，能够到达我们眼睛的只剩下散射能力最差，波长最长的红光。

白天太阳是黄白色，傍晚太阳是红色

有时候，两种情况还会结合在一起：在太阳落山后，阳光通过大气的折射作用还能到达我们，此时低空是红色，高空是蓝色，形成非常漂亮的分层天空。

上层：蓝光散射形成蓝色；下层：红光穿透性强形成红色

在家里也可以通过实验模拟这个过程：在一个装水的鱼缸中滴入几滴牛奶，牛奶就形成了散射的颗粒物。再用一个发射白光的手电筒照射鱼缸，你会发现鱼缸中的水由于光的散射作用变成了蓝色。如果你从另一边观察手电筒的透射光，它会由于缺乏蓝光而变得偏黄。

模拟蓝天和黄日

米散射

不过，天空不总是蓝色的。阴天、下雨的时候，天空总是白茫茫的一片，这是为什么? 我们需要用另一种散射——米散射来解释。

当颗粒物的尺寸相比于光的波长比较大，大约在0.1倍波长到100倍波长之间时，散射规律叫做米散射，由德国科学家古斯塔夫.米发现。

古斯塔夫.米

之前我们讲到：光是一种电磁波，满足麦克斯韦电磁学方程组。米从电磁学方程组出发，推导出了真空中球形颗粒物对光散射的完整规律，只需要给出散射球的半径、折射率和光的波长，就能唯一的计算出散射结果。看起来这是个非常漂亮的工作对吗？那请大家体会一下米散射方程吧。

米散射方程

在米散射方程中充斥了各种看不懂的字母，方程形式异常复杂，所以在散射物小，光的波长长时，我们一般使用米散射的近似结果——瑞利散射。而在颗粒物尺寸很大，光波长很短的时候，就是用另一种近似结果——几何光学。只有在颗粒物尺寸介于0.1倍光波长到100倍光波长之间时，我们才会被迫使用米散射。

米散射的特点和瑞利散射显著不同，瑞利散射是前后对称的，而米散射向前占优势，呈现出星状放射性的强度分布。

米散射典型情况

我们可以在不同颗粒物尺寸和光的波长时，计算球体的总散射强度，如下图所示：横坐标是颗粒物尺寸与光波长之比，纵坐标代表了散射强度。你会发现：米散射大约分成两个区域：颗粒物比较小、光波长比较长时的瑞利散射区域和颗粒物比较大、光波长比较短时的米散射区域。

不同颗粒尺寸、波长时散射能力

而且，在瑞利散射时，光的波长越短，散射强度越大；但是到了米散射区域后，随着波长变化，散射强度几乎不变！这就是我们要的结论：当大气中的颗粒物达到光波长的十分之一以上时，不同颜色的光散射能力几乎没有差别。

用这个理论就能解释为什么云彩是白色的了。云彩是由许多小水滴构成的，这些小水滴尺寸很大，对光线产生米散射——各种颜色的光几乎等比例的散射。散射光依然各种成分都有，混合起来就是白光。在大雾天，上下都是白茫茫一片，也是因为空气中有大量的大尺寸水滴，对阳光发生了米散射。

云彩对阳光产生了米散射

用米散射理论就能解释舟山红色天空事件了。当时舟山地区有雾，空气中水量丰富，为米散射提供了很好的气象条件。此时渔船打开红色的灯光，这些红光照到空中，被水滴散射，向四面八方发射出去。进入到人们的眼睛，看上去就形成了红彤彤的一片。注意：假如没有雾，光线在大气中只能发生瑞利散射，而红光波常常，对瑞利散射的穿透性很强，就容易直接穿透空气射向天空，没办法照亮一大片天空了，这就是没有雾的时候为什么不会出现这种情景。

我说的这些对不对呢？其实很好验证，做个实验就好了。5月10日，舟山渔业公司又开启了秋刀鱼船的捕鱼灯，结果天空再次变红，验证了之前的猜测。

秋刀鱼船

也许有同学会说：看起来这个现象并不复杂，只要有红色光源，大气中有足够大的颗粒就能出现，那为啥我从没看过红色天空？其实这个现象的确不罕见，你有没有在雾霾天开车的经历？在前车如果突然急刹车，或者交通灯红灯亮起，你的眼前可能一片红光，这就是雾霾对光的散射。

雾天中的红灯

再比如澳大利亚和美国发生森林大火的时候，大量的灰尘颗粒被卷到天空中，天空也是血红色的。

美国大火中的城市天空

现在，你明白舟山和福州的“红色天空”是怎么回事了吗？

补充：如果小伙伴们想自己计算一下米散射，可以点击这个网站，只需要输入散射颗粒的直径、光的波长、折射率等信息，就能帮你算出各个方向的散射情况。

Omlc.org/calc/mie_calc.html

比如：我取颗粒物直径0.001微米，模拟大气分子。光的波长0.55微米，这是可见光的中值波长。

计算的结果如下图所示：

很明显，这是典型的瑞利散射。

如果我们把颗粒物尺寸改为1微米，其他条件不变，就会得到下面的图：

你看，这就是米散射的情况。