天空漫射

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在藍天下採集的太陽光譜,清楚的顯現出夫琅和費線和大氣中的水吸收帶。

天空漫射(Diffuse sky radiation)是陽光直接被地球大氣層中的分子懸浮粒子散射之後,才抵達地球表面的太陽輻射。它也被稱為天光(skylight)、 漫射天光(diffuse skylight)、或天空輻射(sky radiation),是天空顏色變化的主因。來自太陽的陽光大約有總量的三分之二(根據在大氣層中的灰塵和煙霧含量,在太陽高懸時大約為有25%的入射輻射直接被散射)會在大氣層中被散射,最終成為彌散的天空輻射抵達地球。

在大氣層中的重要過程是瑞利散射米氏散射彈性過程,光線的波長不變,沒有被吸收,但從原有的路徑偏折。

概述[编辑]

在傳播中如果遭遇微小的粒子,就會產生散射。散射粒子越小,散射的光譜越在短波的範圍裡,而空氣中充滿了氧和氮的分子,它們的大小甚至於比短波的波長還短,散射出來的光就都會在紫、藍、綠的範圍。

當一束平行的入射光線射到大氣層雲朵時,表面會把光線向著四面八方反射,所以入射線雖然互相平行,由於各點的法線方向不一致,造成反射光線向不同的方向無規則地反射。在白晝時,陽光經過比較薄的大氣層,散射的結果就呈現到處都是藍色的情景。而且因為大氣中到處都散射出藍色的光譜,所以我們無法依照肉眼的感覺判斷天有多高。但在黃昏日出時分,因為陽光必須穿過比較厚的大氣層,其中蓝光波段的光已經在前面被散射殆盡了,只剩下紅、橙、黃等比較偏紅的顏色,所以天色看起來是橘紅色的。

不過並不是所有地方看到的夕陽都像藝術照片那樣的飽滿色彩,只有當大氣中有比分子稍大的粒子(例如鹽粒、小小水滴、灰塵、煙灰、細火山灰,越大的粒子越能散射紅光;但如果大太多散射就中止,而變成反射了,更大的粒子則造成吸收)時,光譜才會比較在紅色的範圍。所以許多絢爛的夕陽景色都是在海邊拍攝的,因為那裡充滿了比較會散射紅光的鹽粒。

顏色[编辑]

清澈的藍天。
藍光和紅光在大氣層中被散射效率的比較。

陽光普照的天空是藍色的,因為空氣散射的短波長光比長波長的多。由於藍色的光是在可見光波長的短波端,因此它在大氣中的散射比紅光強烈。這樣的結果是人類的眼睛望向天空時,感受到的陽光顏色是藍色的這一部分 [1]。感受到的顏色類似於474至476奈米的單一藍色光與白光的混合,也就是未飽和的藍色光[2]

接近日出日落時,我們看見的陽光幾乎都是以接近切線的角度抵達地球的表面,这时大部分的光线会发生折射。因为短波关的折射角大,所以大部分的短波光都被折射掉了,剩下的就只有大波长的光系了。因此日出和日落時,你能看見的紅光會強過其他任何顏色的光。

散射和吸收是輻射在大氣層中衰減的主要原因。散射的效率是隨著粒子的直徑和波長的比率而改變的函數。當直径比波长在1:10的比率時,瑞利散射發生散射效率的係數是波長的四次方。在直径比波长比率較大時,散射效率的變化需要比較複雜的形式來描述,對球型的粒子,適用米氏理論,它的比率約為10,幾何光學開始適用。

中性點[编辑]

沿著通過太陽的地平經圈有三個點(稱為中性點),常用來檢測天空漫射的零偏極化

  • 阿拉戈點:以它的發現者的名字命名,通常位於反日點之上20°,但當空氣混濁時它的高度會提高。這種性質使得阿拉戈點的距離成為測量大氣濁度的一個有用工具。
  • 巴比內點:巴比內在1840年發現的,它在太陽上方大約15°至20°,因此受到太陽眩目光輝的影響,很難觀測這個點。
  • 布魯斯特點:布魯斯特在1840年發現的,它在太陽下方大約15°至20°,因此同樣受到太陽眩目光輝的影響,很難觀測這個點。

多雲的陰暗天空[编辑]

基本上,在陰霾的天氣下沒有直射的陽光,所以天空中所有的光都是天空漫射的輻射。因為雲滴的顆粒都比光的波長還大,對所有顏色的光都一樣的散射,所以光通量與波長完全無關,方式與磨砂玻璃相似。陽光透過的強度減弱程度從相對較薄雲層的六分之一,到極端最厚的烏雲只透過直射量的千分之一[來源請求]

雲朵顏色[编辑]

不下雨的主要由雲滴(小水滴)所組成,雲滴比分子大許多,大致為20微米大小的雲滴可以散射出各種光譜,但因為雲是一團紊亂的對流體,雲滴的分佈也是非常雜亂的,向四面八方散射的各種顏色的光,加在一起就成了白色。而再大一點的雲滴或水滴已經足夠構成反射的條件,白色的陽光被反射出去後當然是白色的。

而較厚的雲朵卻是灰白色是因為當陽光射入雲裡面時,如果雲裡面都是比較細小的雲滴或雨滴的話,就會產生散射或反射,使穿透的陽光減少,所以越到雲的底部,光線越弱。據了解,只要雲層厚度超過一千公尺,就幾乎沒有光線可以穿透了。發展比較旺盛的雲,裡面的水滴比較大,這時水滴扮演的是反射及吸收陽光的角色,光線的穿透力就更弱。所以會下雨的雲都是烏黑的,而且雲越黑表示對流越強,雲裡面的水滴越多、越大。發展強盛的雲,通常其上層一定有許多冰晶,光在冰晶中的穿透力比在水滴中還弱許多。

相關條目[编辑]

參考資料[编辑]

  1. ^ "Rayleigh scattering." Encyclopædia Britannica. 2007. Encyclopædia Britannica Online. 16 Nov. 2007.
  2. ^ "Human color vision and the unsaturated blue color of the daytime sky", Glenn S. Smith, American Journal of Physics, Volume 73, Issue 7, pp. 590-597 (2005).

進階讀物[编辑]

外部鏈結[编辑]