北京時間 4 月 13 日消息，據(jù)國外媒體報道，日落是宇宙中令人驚嘆的奇景之一，能夠觸動每個人類彷徨的心弦。從繪畫到詩歌、再到美麗的攝影作品，暮色四合的場景總能喚醒我們內(nèi)心藝術(shù)的一面。
▲ 火星上的日落
但如果你有造訪火星的計劃，想在紅色星球上以欣賞一場壯觀的日落作為第一天的收尾，那你一定會大吃一驚的。
2005 年，在 NASA 的勇氣號火星探測車拍攝的一張火星日落的照片中，只見天空中懸掛著一輪呈藍(lán)白色的太陽，四周圍繞著一圈藍(lán)色的光暈，與地球上日落的場景迥然不同。
地球與火星的天空之間有種奇妙的聯(lián)系。地球呈淺藍(lán)色，天空也以藍(lán)色為主，黎明和日落時分則逐漸變?yōu)殚偌t色。而巧合的是，火星的天空則呈現(xiàn)橘棕色，在日落時會逐漸過渡為淺藍(lán)色。在兩顆行星的天空中閃耀的都是同一輪太陽，為何顏色會如此懸殊呢？
火星上的日落
▲ 電磁光譜
火星距太陽比地球要遠(yuǎn)得多，因此從火星上看去，太陽要顯得小得多、也黯淡得多。
多臺火星漫游車收集的數(shù)據(jù)顯示，太陽從火星上看，會呈現(xiàn)為淺淺的藍(lán)白色。另外在日落時，太陽周圍似乎被一圈藍(lán)色的光暈籠罩，越往外顏色越淺，逐漸與灰紅色的火星天空融為一體。
但這種現(xiàn)象究竟是由什么引起的呢？奧秘就隱藏在火星大氣層中。
大氣是如何影響太陽光線的？
太陽釋放出的電磁輻射呈譜狀分布，范圍從高頻的伽馬射線一直到低頻射電波。其中有一部分可以被肉眼探測到，因此名叫可見光譜段。我們一般將這部分光線叫做“白光”，但它們其實可以被進一步分解為七種不同波長的光線，即“赤橙黃綠青藍(lán)紫”。
簡單來說，同樣的電磁輻射到達(dá)不同行星時的強度固然有所不同，但每顆行星上天空和太陽的顏色更是迥然相異。這是因為，除了陽光本身之外，我們所見的顏色還取決于另一個因素：光線穿越的介質(zhì)。
光線與不同顆粒會發(fā)生不同的相互作用。遇到一個顆粒時，光線可能被吸收、也可能被反射、或者被散射出去。這些現(xiàn)象發(fā)生的程度取決于與光線發(fā)生相互作用的顆粒的性質(zhì)。有些顆粒更容易使波長更長的紅色光發(fā)生散射，有些則更容易使波長較短的藍(lán)色光發(fā)生散射。因此，有些波長的光會在光線傳播的過程中被剔除出去，剩下的光線便決定了我們看到的是何種顏色。例如，外太空中沒有顆粒物可以散射或吸收光線，因此太陽在我們看來就是白色的。
為什么地球上的日落呈紅色呢？這與一種名叫瑞利散射的現(xiàn)象有關(guān)。當(dāng)顆粒物尺寸與光線波長相比很小時，就會發(fā)生這種現(xiàn)象。地球大氣中微小的氮氣與氧氣分子會使藍(lán)光發(fā)生散射，等到光線進入我們眼中時，就只剩紅光了。
因此要想弄懂火星上的日落為何呈藍(lán)色，我們首先要弄清火星大氣的組成。
火星大氣
▲ 光線在地球大氣中的散射
火星大氣密度只有地球的 80 分之一。在稀薄的火星大氣中，約 95% 的成分為二氧化碳，3% 為氮氣，1.6% 為氬氣，還有不到 1% 為氧氣。但火星大氣中還遍布著塵埃顆粒?；鹦潜砻姹环惺⒊噼F、橄欖石、以及磁鐵石顆粒所覆蓋，這些是導(dǎo)致火星上藍(lán)色日落的主要原因。
如前文所述，光線的散射取決于顆粒大小。地球大氣中的顆粒物體積較小，因此更容易發(fā)生瑞利散射。但火星則不然，其大氣中懸浮的塵埃顆粒直徑介于 400 至 700 納米之間，幾乎與可見光波長相當(dāng)，因此這些顆粒無法發(fā)生瑞利散射，而是會產(chǎn)生另一種光學(xué)現(xiàn)象 —— 米氏散射。
米氏散射
米氏散射是大顆粒的主要散射形式。不同于瑞利散射，米氏散射與波長之間的關(guān)系并不大，而是更大程度上取決于光線方向。向前散射發(fā)生的概率比向側(cè)面或向后散射要大。
一般來說，各個波長的光線發(fā)生米氏散射的概率是均等的，但取決于顆粒大小和入射光方向，發(fā)生散射的波長也會有所不同。例如，火星大氣中的塵埃顆粒使紅光發(fā)生散射的概率就比藍(lán)光要大。再加上火星大氣中含有大量紅色的氧化鐵，火星的天空自然就呈現(xiàn)為紅色了。
藍(lán)色日落背后的科學(xué)原理
▲ 藝術(shù)家繪制的火星地形圖
我們在分析火星日落時會注意到兩項特征，一是太陽本身呈藍(lán)白色，二是太陽周圍環(huán)繞著一圈淺藍(lán)色光暈。這種現(xiàn)象發(fā)生的原因又是什么呢？
為何太陽呈藍(lán)色？
太陽在火星上看之所以呈藍(lán)色，是因為火星大氣會將偏紅的光線過濾掉?；鹦谴髿庵械膲m埃顆粒大小正適合使紅光發(fā)生散射，因此相比于藍(lán)光，更多的紅光會被這些顆粒散射出去。
由于太陽光在日出和日落時傳播的距離最長，等到光線傳播至地表時，紅光幾乎已經(jīng)消除殆盡，只剩下波長更短的藍(lán)光。這種現(xiàn)象名叫波長選擇性消光，也正是太陽呈現(xiàn)藍(lán)色的原因。
簡單來說，可以將大氣層想象為一塊陽光“濾鏡”。地球大氣更容易濾除藍(lán)光、留下紅光，火星大氣則更容易濾除紅光、留下藍(lán)光。
太陽周圍的藍(lán)色光暈是如何形成的？
太陽周圍的藍(lán)色光暈無法簡單地用波長選擇性消光來解釋。散射規(guī)律在這里也發(fā)揮了重要作用。如前文所述，米氏散射在很大程度上取決于光線的方向，并且更容易向前散射。
因此當(dāng)光線穿越火星大氣時，大多數(shù)光線都會以較小的偏斜角向前散射。所以我們見到的不是藍(lán)光沿著地平線均勻散布，而是一圈面積較小、較為集中的藍(lán)色光暈籠罩在太陽周圍。
▲ 米氏散射更容易發(fā)生在向前的方向上（即入射光方向上）
▲ 從左至右分別為瑞利散射、中間米氏散射、完全米氏散射
此外，不同顏色光線的散射規(guī)律也有所差異。在前進方向上，藍(lán)光的強度幾乎高達(dá)紅光的六倍，因此在我們看來，離太陽越近、藍(lán)光就越明亮。藍(lán)光的強度在散射角為 10° 時達(dá)到最大值，隨著散射角增加，藍(lán)色波長的主導(dǎo)地位也會隨之下降。當(dāng)散射角超過 28°，紅光的強度就會更占主導(dǎo)地位，這圈光暈就這樣逐漸融入了暗紅色的火星天空中。
簡而言之，太陽的藍(lán)色由波長選擇性消光現(xiàn)象所致，藍(lán)色光暈則是太陽光線在米氏散射作用下發(fā)生角散射的結(jié)果。
我們能在地球上見到藍(lán)色的日落嗎？
可別以為只有在火星上才能見到藍(lán)色日落，事實上，地球上偶爾也能一窺這樣的景象。1883 年印尼喀拉喀托火山爆發(fā)后，當(dāng)?shù)厝司蛨蟾娣Q該地區(qū)的太陽和月亮變成了藍(lán)色，時間持續(xù)了一個多月。
同一時期，夏威夷的塞雷諾主教還報告稱，他看到太陽周圍有一圈藍(lán)瑩瑩的光暈，被一圈棕褐色的光環(huán)包圍著。這種現(xiàn)象也因此被稱作“主教的戒指”。
除了火山爆發(fā)外，藍(lán)色日落在沙塵暴頻發(fā)的阿拉比亞沙漠中也偶有報道。另外，森林大火有時也會創(chuàng)造出紅色的天空和藍(lán)色的日落。
結(jié)論
除了以上各項因素之外，火星日落的顏色在很大程度上還取決于我們的雙眼。只有等人類親自目睹之后，我們才能描述出火星日落的真正顏色。在此之前，我們只能依賴火星漫游車傳回的照片、或者等著看地球上偶爾一見的藍(lán)色日落。
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