在地球上,日落和日出时太阳颜色偏红,在中午时基本呈白色,其中的原因与太阳光在大气中的散射有关,因为日出日落和中午时,太阳光穿过的大气厚度是不同的。
我们知道,太阳光由七种颜色混合而成,利用棱镜可以把七种颜色分离出来,分别是红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。
地球拥有厚厚的大气层,太阳光在到达地面前,会首先穿过大气层,由于大气对太阳光具有吸收和散射的作用,所以到达地面的太阳光会发生变化。
尤其是大气对太阳光的散射作用非常明显,大气的主要成分是各种气体分子,尺度在纳米级别,其中还掺杂了尘埃,尺度在微米级别,太阳光穿透大气层主要有两种散射机制。
(1)瑞利散射
可见光波长远大于气体分子的尺寸,太阳光在气体分子间穿过,会使太阳光发生瑞利散射,瑞利散射的强度与波长的四次方成反比,于是波长越短越容易发生散射,其中蓝光的散射能力强于红光。
(2)米氏散射
可见光波长与尘埃的尺寸相当,此时尘埃导致的散射称作米氏散射,米氏散射的强度与波长二次方成反比。
对于地球大气来说,在天气良好的情况下(云雾天气、雾霾天气等等例外),大气中的气体分子密度远高于尘埃,所以更容易发生瑞利散射。
中午
在低纬度地区,中午时,太阳高度角最大,太阳光需要穿过的大气层厚度最短,此时的太阳光基本就是七种颜色的混合,所以呈白色;其中蓝紫光散射最明显,由于人眼对蓝光的感知比较敏感,所以天空呈现蔚蓝色。
日出日落
在日落和日出时,太阳高度角小,太阳光需要穿过更远的大气层才能到达地面,此时散射最严重的蓝紫光已经是强弩之末,而散射最弱的红光保留最多,所以太阳偏红。
此外,在早晨时,大气中的水分较多,这对太阳光的散射也有影响,在雾霾天气时,米氏散射更严重。