瑞利散射

首先我們要明確一個(gè)概念，那就是太陽(yáng)光的顏色。實(shí)際上，太陽(yáng)通過(guò)核聚變產(chǎn)生巨大的能量，并且以電磁波的形式釋放出來(lái)。由于釋放出來(lái)的電磁波在各個(gè)波段都有分布，所以從可見(jiàn)光的方面來(lái)講，太陽(yáng)光應(yīng)該是白色的，即赤橙黃綠藍(lán)靛紫疊加的顏色。

當(dāng)太陽(yáng)光照射進(jìn)入地球大氣層的時(shí)候，情況就發(fā)生了改變。因?yàn)樵诓煌橘|(zhì)中傳播的速度不同，所以太陽(yáng)光射入大氣層后，會(huì)發(fā)生散射的現(xiàn)象。

我們地球的大氣層中，主要成分就是氧氣和氮?dú)膺@樣的小氣體分子。由于紅色波段的波長(zhǎng)比較長(zhǎng)，所以相對(duì)來(lái)說(shuō)比較容易越過(guò)這些障礙，直接傳播出去。相比之下，藍(lán)色和紫色頻率較高，波長(zhǎng)較短，所以經(jīng)常會(huì)被大氣分子吸收并朝各個(gè)方向重新發(fā)射。所以，紅色等波長(zhǎng)比較長(zhǎng)的顏色都直接穿越了大氣層，而藍(lán)色通過(guò)散射來(lái)到了地面，地球的天空就呈現(xiàn)出藍(lán)色了，這就是所謂的瑞利散射。

而且，由于不同的海拔高度大氣層厚度不同、太陽(yáng)光穿過(guò)的大氣層距離也不同，所以我們所處的高度不同，看到的天空顏色也不同，相信大家在坐飛機(jī)的時(shí)候也會(huì)有所發(fā)現(xiàn)。如果在11000米的高空，會(huì)看到暗青色的天空；到了13000公里，天空就會(huì)變成藏藍(lán)色；21000米時(shí)，還能看見(jiàn)藍(lán)黑色的天空；飛得再高一些，幾乎就只能看見(jiàn)黑色的天空了。

到了傍晚，情況就不一樣了。由于傍晚的時(shí)候太陽(yáng)在地平線附近，陽(yáng)光穿越地球大氣層就要走更長(zhǎng)的距離。在傳播這么長(zhǎng)的距離后，藍(lán)色和紫色都被散射掉了，所以殘留下的只有紅色、橙色這樣的顏色，所以晚霞也都是火一般的顏色，非常好看。同樣的原因，在早上和晚上看到的太陽(yáng)，也是紅彤彤的，而正午時(shí)候看到的太陽(yáng)則不是這樣的。

對(duì)于這樣的美景，我們已經(jīng)習(xí)以為常了。但是，如果你能夠登陸到太陽(yáng)系其他天體上，會(huì)發(fā)現(xiàn)那里的日落，是不一樣的顏色。

火星上的日落

2005年的時(shí)候，NASA的勇氣號(hào)（Spirit）火星車(chē)給我們展示了一張無(wú)與倫比的照片，那就是火星上的日落。盡管明知和地球上可能會(huì)不一樣，但在看到這張照片時(shí)，大家還是被震撼到了。在一片灰暗的天空下，火星地平線上的太陽(yáng)呈現(xiàn)出微弱的藍(lán)色，十分詭異。

（圖片說(shuō)明：勇氣號(hào)火星車(chē)拍攝到的火星日落）

內(nèi)華達(dá)州里諾市Truckee社區(qū)學(xué)院數(shù)學(xué)教授Kurt Ehler曾經(jīng)在《應(yīng)用光學(xué)》雜志上發(fā)表了一篇論文，詳細(xì)討論了火星日落顏色的成因。

他和他的同事在利用勇氣號(hào)火星車(chē)在2014年的一些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，和地球不同，火星上對(duì)太陽(yáng)光進(jìn)行散射的主要因素并非是大氣層內(nèi)的氣體分子。他說(shuō)：“火星大氣氣體的密度只有我們地球的1/80左右，因此在散射方面起到?jīng)Q定性作用的其實(shí)是相對(duì)較大的塵埃顆粒?！?/span>

正是由于這些塵埃顆粒所產(chǎn)生的散射模式和大氣分子有著非常大的區(qū)別，才使得火星的日落呈現(xiàn)出了藍(lán)色。

我們剛才提到，像地球大氣這樣的氣體分子在造成陽(yáng)光散射時(shí)，會(huì)向各個(gè)方向進(jìn)行散射，所以被散射出來(lái)的藍(lán)色光就可以傳播到地面，被我們看到。

與此不同的是，火星大氣中這些塵埃顆粒的散射方向是向前，也就是說(shuō)，即使被散射，陽(yáng)光也會(huì)相對(duì)比較集中。根據(jù)Ehler的說(shuō)法，這些塵埃粒子對(duì)于紅光的散射角度要更大一些，所以在更加集中的因素作用下，火星上“藍(lán)色光的強(qiáng)度是紅色光的6倍左右”。于是當(dāng)太陽(yáng)在地平線上照射時(shí)，就會(huì)看到藍(lán)色的傍晚了。

同時(shí)我們也會(huì)發(fā)現(xiàn)，火星上傍晚的太陽(yáng)也不是像地球這樣呈紅色，也是因?yàn)樘?yáng)光在穿過(guò)火星稀薄的大氣層的時(shí)候沒(méi)有太多顏色的改變，所以看起來(lái)是個(gè)白色的圓盤(pán)，也就是近乎于本來(lái)的顏色。而在太陽(yáng)周?chē)?，由于藍(lán)色的散射較為集中，能量較強(qiáng)，所以被藍(lán)色包圍。而在更遠(yuǎn)的天空，藍(lán)色就比較少了，于是就呈現(xiàn)出被散射到遠(yuǎn)處的紅色了，這就是火星上傍晚能看到的畫(huà)面。

其他天體上的日落

從火星傍晚的介紹中大家應(yīng)該也看得出來(lái)，一顆星球天空的顏色，更多的是取決于其大氣成分。像月球這樣沒(méi)有大氣層的天體，天空自然就是漆黑一片。

而由于我們的探測(cè)器著陸過(guò)的天體實(shí)在太少了，也很難直接看到它們的天空然后進(jìn)行分析，而是只能通過(guò)理論分析，未來(lái)再尋求實(shí)際探測(cè)的驗(yàn)證。但Ehler指出：對(duì)于這些擁有大氣層的天體來(lái)說(shuō)，還是有一個(gè)共同之處的，那就是在日落的時(shí)候，波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光會(huì)比其他顏色的光更加突出。

比如，NASA的科學(xué)家就推測(cè)，由于大氣層內(nèi)主要成分是氫、氦和甲烷，所以天王星的大氣會(huì)吸收波長(zhǎng)比較長(zhǎng)的顏色，而將波長(zhǎng)比較短的波段散射出來(lái)。因此，這里白天的顏色應(yīng)該是藍(lán)色，而到了傍晚，天空顏色也會(huì)向較長(zhǎng)的波段變化，不過(guò)由于紅色被吸收后不會(huì)再放出來(lái)，所以這里傍晚的天空應(yīng)該是綠色的。

當(dāng)然了，對(duì)于一些大氣層過(guò)于濃厚的星球、或者是大氣成分本身就具有比較明顯的顏色特征的天體來(lái)說(shuō)，恒星的光芒可能就不會(huì)稱(chēng)為主宰天空的顏色了。

比如780光年以外有一顆名為WASP-79b的行星，由于溫度達(dá)到了恐怖的1600℃，其表面的鐵都化成了鐵水和鐵云漂浮在大氣中，這就使得它的天空呈現(xiàn)出恐怖的黃色。

總之，一顆星球天空的顏色，極大程度上取決于它的大氣成分。如果我們無(wú)法完全了解其成分內(nèi)容，就很難判斷它在白天和日落時(shí)的情景。當(dāng)然，再考慮到塵埃這種復(fù)雜的物質(zhì)可能存在，推測(cè)天體天空顏色的問(wèn)題確實(shí)還是有些困難的。

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其他天體上的日落