文章来源：中国光学
原文作者：Light科普坊
天上浮云如白衣，斯须变幻如苍狗（唐代·杜甫《可叹》）；晴空一鹤排云上，便引诗情到碧霄（唐代·刘禹锡《秋词》）；余霞散成绮，澄江静如练（南北朝·谢朓《晚登三山还望京邑》）......
一首首唯美的诗句歌词，展现了大自然的美丽与多姿。想必每个人都好奇过，这些自然现象是如何产生的？
其实，无论是变化多姿的云彩，碧空如洗、霞光万道的日出日落，还是五彩缤纷的雨后彩虹，都是太阳光穿过大气层时发生的自然现象（图1）。
图1：美丽的天空
太阳发出的光线中人眼看到的部分被称为可见光。除了可见光以外，太阳光中还包含红外光和紫外光等，称为不可见光（图2）。
图2：太阳的辐射光谱[1]
光波作为一种特定频段的电磁波，其颜色与频率有关。通常，我们用波长和频率来描述光波。光的波长是指光波在一个振动周期内传播的距离。频率为光波在一秒内振动的次数。波长与频率的关系为：波长=光速/频率。1666年，英国物理学家牛顿第一次通过光的色散实验证明可见光是由红橙黄绿青蓝紫七种色光混合而成。如今，通过光谱测量我们知道可见光的波长范围为400 nm~700 nm，其中，红光波长最长，频率最低；紫光波长最短，频率最高。当光通过真空环境或光学性质均匀的介质（比如纯净的玻璃）时，如果在光线的侧面观察，由于光线没有进入人眼，几乎看不见光线轨迹。如果光线经过光学性质不均匀的介质时，这些不均匀的介质会将光反射到人眼，在侧面就可以看到光线（图3a），这种现象被称为光的散射。所谓光学性质不均匀既可以是含有颗粒的浑浊介质，比如烟雾、尘埃等，也可以是由于密度涨落引起的光学折射率分布不均匀，比如大气等。太空几乎是真空状态，宇航员在太空中看到的天空和我们在地球中看到的就会完全不同（图3b）。由于没有散射，只能看到一颗明亮的太阳悬挂在漆黑的背景之中。在科幻电影《星球大战》中，宇宙飞船上有激光大炮，许多人还携带激光手枪，在太空中发生激光战斗时，会看到激光的飞行轨迹以及听到激光发射的“啾啾啾”声。事实上，真空状态的太空无法发生光的散射以及声音的传播，也就无法看到激光轨迹，无法听到声音。因此，这样的画面显然属于电影艺术化的处理方式，并不符合科学的解释。
大气层中（具体是大气层中的最底层-对流层）中存在大量气体分子，这些分子的尺寸在纳米（10⁻⁹ m）以下，远小于可见光的波长。根据电磁理论，当光波遇到比波长尺度小的散射体时，散射体会感生出电偶极矩，其辐射场强反比于波长的二次方。因此，散射强度（辐射场强度的平方）反比于波长的四次方。这种光经过气体分子时发生的散射现象，称为分子散射。分子散射符合瑞利散射定律（L. Rayleigh, 1871年），即散射强度与光波长的四次方成反比（图4），并且对于特定波长的光，散射光强度还与散射方向相关。分子散射现象由第三代瑞利男爵John William Strutt发现，又称瑞利散射。可见，对于瑞利散射，散射强度受光波长影响较大。以可见光中的紫光（400 nm）和红光（700 nm）为例，其波长比为1:1.75，对应的散射强度比约为9.4:1。依据瑞利的观点，太阳光穿过大气层时，短波长的蓝紫光散射强度比红光要大得多，散射光中短波长的蓝紫光占主要部分。由于紫光被大气吸收了一部分，并且人眼对紫色不敏感，因此天空呈现的蓝色就是大气层散射了太阳光中的蓝色光（图5）。在早上太阳升起或傍晚太阳落下的时候，太阳光的传播方向几乎沿地平线。相对于中午太阳的直射，穿过的大气层厚度较厚，散射更加强烈。此时，蓝紫光几乎被散射掉，透过大气层的光主要是红橙光，因此太阳呈红色。并且，太阳附近的云也会因反射折射太阳光而呈现红色（图1b）。中午，太阳穿过的大气层较薄，散射效应相对较弱，蓝紫光损失较少。损失掉的蓝紫光并不足以改变太阳的颜色，所以太阳看起来呈白色或淡黄色。上述解释看起来很完美，但瑞利在解释蓝天现象时，将空气假设为理想气体，认为分子散射的本质是气体分子对太阳光线的散射。事实上，大气层中的空气存在很多杂质，密度的分布也不均匀，并不是理想气体。1910年，物理学家爱因斯坦利用熵统计热力学理论证明：即便是最纯净的空气，也存在涨落现象。由于地球引力的存在，使得大气层的气体距离地面越高就越稀薄，因此大气层是一种光学性质不均匀介质，这才是发生散射的真正原因。自此以后，针对蓝天现象的解释才有了最终结果。利用瑞利散射同样可以解释海水蓝色的现象（图6）。海水中的水分子的尺寸远小于可见光的波长。因此，短波长的蓝紫光散射程度更大。并且水对长波长的红光吸收更大，所以大海较深的区域长波段的光被吸收掉，只剩下短波长的蓝紫光并发生散射现象，因此海水总是呈现蓝色的。不过，最初瑞利认为海水呈现蓝色是由于海水反射了天空的蓝色所致，后来（1921年）印度物理学家拉曼通过实验纠正了这一结论。除了蓝色大海，大自然中还存在着蓝色古冰川景观（图7）。在阳光的照耀下，古冰川会显示出天空一样的蔚蓝色，宛如仙境一般，十分美丽。我们平时见到的冰雪都是白色的，那为什么冰川看起来就成蓝色的呢？这就要从冰川的结构说起了。其实，冰川的冰并不是由液态的水凝固形成的，而是由固态的雪堆砌而成。因此，冰川内部存在大量的空气间隙。随着时间的推移，在重力等因素作用下，冰川不断被挤压，密度越来越大。相应的，冰川内部的空气间隙越来越小。当它们小到一定程度以后，会形成大量的微小空气气泡，这些气泡就会对阳光中短波长的蓝紫光产生强烈的散射作用，并且冰川会吸收长波长的红橙光，从而形成如蔚蓝大海一样的神秘又美丽的蓝色。冰川越厚，这种效用就越明显，我们看到冰川的颜色也就更蓝。云主要由小水滴或小冰晶组成，粒径在10 ~100微米，相较于可见光的波长（百纳米）已经大的多了，此时瑞利散射定律就不再适用了。根据米（G. Mie, 1908年）和德拜（P. Debye, 1909年）建立的散射理论，对于尺度较大的散射体，散射光包含了散射体更高级次电矩的辐射场，其辐射场强随光波长的变化就不如瑞利散射那么明显了，这种散射称为米氏散射。由于米氏散射适用于颗粒尺寸与光波长同量级甚至更大的颗粒，因此又称为颗粒散射。利用米氏散射理论可以解释为什么天空中的云呈现白色。
当光穿过云时，根据米氏散射理论，各种颜色光的散射强度比较接近，散射光依然是白色（透明）。由于云是小水滴或小冰晶组成，结构不规整，不同波长的光都在云内部多次反射和折射，最终这些波长的光叠加进入到人眼，看起来就变成了白色（图1a）。如果遇到阴雨天气，云层特别厚，这些光无法透过，云就变成了灰黑色的，也就是我们见到的乌云。
那在霾天时看到的天空是什么样的呢？霾主要指空气中悬浮的灰尘颗粒而形成的浑浊现象。这些灰尘颗粒以直径小于2.5微米的颗粒物为主，也就是我们平时所说的PM2.5。颗粒的尺度与可见光的波长相差不大，散射光中较长波长的光相对较多, 因而霾看起来呈黄色或橙灰色。当污染更加严重时，散射光中短波长的光无法穿过雾霾层，只剩下红橙等长波长的光，因此天空也会呈现橘红或暗红色等（图8）。天空颜色的微妙变化在一定程度上揭示了雾霾等污染物的存在，这也在提醒我们，人类活动引起的环境变化，也正在影响人类的生存环境。
光的散射现象在科学研究和生活中都发挥着重要的作用。在科学研究领域，基于散射光的分析可以用于光学检测。比如，2021年，北京大学研究团队利用瑞利散射光信号中不存在入射光信息的特点，发展了一种基于瑞利散射光谱测量技术。可以精确测量碳纳米管的圆二色性信号，相较于传统的光吸收谱测量技术提高了约四个量级。利用该技术，完整测定了单根碳纳米管水平上手性结构和螺旋结构（图9）。此外，瑞利散射在光纤通讯也有广泛的应用。由于在光纤制造过程中光纤密度的随机涨落会引起折射率的局部起伏，使得光向各个方向散射，并且这些涨落是不可消除的（图10）。瑞利散射是光纤损耗的主要因素之一。因此，在光纤通讯中，常选用较长波长的光，比如最常用的是1064 nm光源，进行光信号的传输。华裔物理学家高锟将涨落产生散射的原理用于光线通信信号损失研究并以此奠定了他获得2009年诺贝尔物理学奖。在生活领域，和我们生活息息相关的信号灯颜色的设计就与瑞利散射有关。对于可见光，红光散射最弱，穿透能力最强。特别是在薄雾天气，红光是所有颜色中传播距离最远的。因此，在交通标志中使用红色信号灯作为停车的信号，可以使司机在距离很远的地方看到。同时，红色是一种兴奋色，会引起司机视神经细胞的扩展反应，因而用红色作为禁止的信号最容易引起注意。在色彩学中，绿色与红色对比最为明显，因此用绿色作为通行的信号。由于红外光的波长更长，传播距离更远，可以用于红外遥感探测，在自然灾害和环境监测等领域发挥了重要作用。在大气光学中，利用激光雷达探测激光在大气中的散射等信号就可以测量大气成分和气象参量等，为更好认识大气和判断气候变化提供了依据。除了上面提到的现象以外，生活中还有很多与光散射有关的现象，比如，汽车正常运行时的尾气通常为无色，在冬天气温比较低的时候，尾气就变成了白色。而当汽车发生故障，比如机油进入了发动机的燃烧室时，尾气往往就变成了蓝色。
根据上面的分析，您知道这两种颜色的尾气分别对应于哪类散射吗？
图11：汽车的尾气
图源：Light科普坊/VEER
王晓杰，南开大学物理科学学院助理研究员，博士，主要从事物理教学科研工作，研究方向为非线性光学。目前主持国家自然科学基金青年项目1项，省部级项目3项，作为第一作者/通讯作者在Applied Physics Letters等国内外期刊发表论文7篇，以第一完成人授权国家专利3项，软件著作3项。科普工作者，中级青少年科技辅导员、中国物理学会“蒲公英计划”科普宣讲专家、Light科普坊科普作者、南开大学物理科普基地科普宣讲团专家。原创科普作品曾被中国科协官微“科普中国”等平台转载。获全国科创项目式学习方案征集活动一等奖、天津市科普微视频大赛一等奖等科普奖励。
封面图来源：Light科普坊
1. 黄承志, 凌剑, 王健. 弹性光散射光谱分析[M]. 科学出版社, 2017.
2. Yao F, Yu W, Liu C, et al. Complete structural characterization of single carbon nanotubes by Rayleigh scattering circular dichroism[J]. Nature Nanotechnology, 2021, 16(10): 1073-1078.
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编辑：木心