1、第 1 頁天空顏色與大氣污染自然界中絢麗多彩的晚霞和日出東方時的壯麗景象是 任何一位藝術家都難以描繪的。但是很少有人知道，我們目 睹的大部分顏色是污染造成的。城市的落日和空氣清新的鄉 村落日是不同的。在非常潔凈、未受污染的大氣中，落日的顏色特點鮮明。太 陽是燦爛的黃色，同時鄰近的天空呈現出橙色和黃色。當落 日緩緩地消失在地平線下面時，天空的顏色逐漸從橙色變為 藍色。即使太陽消失以后，貼近地平線的云層仍會繼續反射 著太陽的光芒。因為天空的藍色和云層反射的紅色太陽光融 合在一起， 所以較高天空中的薄云呈現出紅紫色。 幾分鐘后， 天空充滿了淡淡的藍色，它的顏色逐漸加深，向高空延展。 但在一個高度工業

2、化的區域，當污染物以微粒的形式懸浮在 空中時，天空的顏色就截然不同了。圓圓的太陽呈現出桔紅 色，同時天空一片暗紅。紅色明暗的不同反映著污染物的厚 度。有時落日以后，兩邊的天空出現兩道寬寬的顏色，地平 線附近是暗紅色的，而它的上方是暗藍色。當污染格外嚴重 時，太陽看上去就像一只暗紅色的圓盤。甚至在它達到地平 線之前，它的顏色就會逐漸褪去。為什么在潔凈的空氣中太陽呈現出黃色，同時天空呈現出藍 色呢?在 19世紀末期，英國物理學家瑞利在 1871年首先對 此作出了解釋。在地球表面的人是透過經空氣散射的太陽光 第 2 頁來看天空的。在潔凈的、未受污染的大氣中，大部分的散射 是空氣中的分子 （主要是氧和

3、氮分子 ） 引起的，這些分子的大 小比可見光的波長要小得多。瑞利理論指出，散射光強和波 長的四次方成反比（1*1/入4 ），在這種情況下，散射主 要影響波長較短的光。因為藍色位于光譜的后面，所以天空 本身呈現出藍色。太陽光直接穿透空氣，在散射過程中它失 去許多藍色，所以太陽本身呈現出燦爛的黃色。 根據瑞利的理論， 當光波波長減少時， 散射的程度急劇加強。 所以光波波長最短的紫色光應該散射最強，靛青、藍色和綠 色的光散射要少得多。那么為什么我們看見的是藍天，而不 是紫色和靛色的天空呢 ?原來當散射光穿過空氣時，吸收使 它喪失了許多能量，波長很短的紫光和靛光雖然在穿過空氣 時，散射很強烈，但同時它

4、們也被空氣強烈地吸收，陽光到 達地面時，所剩的紫色和靛色的散射并不多。我們所目睹的 天空顏色是光譜中藍色附近顏色的混合色，它們呈現出來的 就是蔚藍天空的顏色。 除了散射外，太陽光還被空氣中的臭氧分子和水蒸氣所吸收。 因為空氣層散射和吸收的共同作用，最終到達地面的太陽光 消耗了許多能量。正因為早晨和傍晚，太陽光經過空氣的路 程長，能量損失過多，所以我們可以欣賞壯麗日出和美麗的 日落景色。而在白天，陽光在大氣中經過的路程短，它的能 量損失少，這時用肉眼直視太陽會使人頭暈目眩，是很危險第 3 頁的。在太陽剛剛落山前，你會看到太陽圓盤的周圍有一圈燦爛的 紅色光環。這個光環是太陽光被遠大于空氣分子的灰塵

5、顆粒 通常它們是懸浮在地球附近空中的折射的結果。這 個光環看上去從太陽圓盤的中心向外延伸了大約 3 倍。因為 光環延伸的角度取決于光波波長和微粒的大小，所以估計折 射的顆粒直徑大約為塵埃顆粒的大小。如果一陣大雨在落日 前清洗了一遍空氣的話，在落日時通常就看不到這個光環。 瑞利未能明確地解釋受污染的空氣問題。雖然他的理論指出 了光的散射強度將隨著散射顆粒的增大而急劇增強，但它只 適用于比光波波長小得多的微粒，對于直徑超過 0.025 毫米 的顆粒（例如空氣分子）就不適用了。在當今的工業社會， 污染物通常是懸浮的微粒，它們由直徑從 0.01 到 10 毫米不 等的微粒組成。瑞利的理論不能解釋這種情

6、況。后來，戈什 塔夫米證明了大粒子的散射取決于粒子線度與波長的比 值，并于 1908 年提出了一個更為普遍的理論，它所覆蓋的 顆粒大小范圍更大。這個理論指出，如果空氣中有足夠大的 顆粒，它們將決定散射的情況。米氏的散射理論可以解釋我 們看見的城市天空的景象，顆粒越大，散射越多，同時散射 的效果取決于波長。散射不僅在光譜的藍色區域強烈，而且 在綠色到黃色部分也很強。所以，穿過了受到很多污染的空氣層的太陽光的強度削弱了 第 4 頁許多，太陽看上去更紅一些，它已經失去它的藍色、黃色和 綠色成分。除了散射外，像臭氧和水蒸汽還會額外地吸收光 能。結果圓圓的太陽呈現出黯淡、桔紅的顏色。那么在受污 染的空氣

7、中，天空本身的顏色又如何呢 ?懸浮在空中的污染 物，時間一久便會聚集成層，較大的顆粒在地面附近形成了 較濃密層。當太陽光穿透這些層時，它逐漸褪色，呈現出桔 紅色。散射的光失去了大量波長較短的光波，結果主要是紅 光得以穿透。天空呈現出暗紅色；因為散射的紅光要穿過空 氣層中較低的、愈來愈濃密的空氣，所以在地球表面附近紅 色越來越濃。你所看到的落日的類型主要取決于你所處的地 方。在地面上，落日的亮度和顏色取決于季節和當地每天的 大氣狀況。人在高處所看見的日出和日落的景色完全不同。 有時日落后，站在平臺上的觀察者能看到貼近兩面地平線的 一小部分空氣散射的陽光。日出時，在太陽升起之前，散射的光便可以看見，而對于落 日而言，天空的顏色取決于大氣狀況。日出之前天空中呈現 的鮮艷的顏色，例如橙黃色、紫色和深藍色，表明東面的大 氣相對而言沒受污染。一旦太陽升起來，大部分天空變成了 藍色，只有在貼近地面的部分呈現出一段狹窄的橙色和黃色。 傍晚的天空能揭示出大氣受污染的情況。天然的“污染”也 會影響天空顏色，尤其是火山噴發出的大量的灰塵、熱氣體 和水蒸汽進入大氣時。灰塵的顆粒和其他一些微粒最終在離第 5 頁地面 15 千米到 20千米之間的地方聚集成層。這個空氣層散射太陽光的效果格外明顯，絢麗多彩，太陽呈現出藍色或綠色，尤其是在黃昏時分，火山噴發幾年之后還能看到這種景 象。這些引人入勝的景色