技术美术个人笔记（八）——瑞利散射与米氏散射

散射是指光子与空气中的分子或是悬浮粒子弹性碰撞之后，改变行进方向。生活中常见的散射可概分为两种：瑞利散射（Rayleigh scattering）和米氏散射（Mie scattering），示意图如图。

图解：图中的横轴是粒子直径与波长长度的比值，纵轴是经过数据标准化后的散射强度。蓝色区域是粒子直径比波长小很多的瑞利散射，波长越短，散射越强，而且散射角度较大；黄色区域是粒子较大的米氏散射，散射强度和波长之间没有固定关系，且大部分散射沿着阳光原本行进的方向前进。

瑞利散射是指当光照到直径比光波长小很多的粒子（大气中的氧分子和氮分子）时，光会向四面八方散射，而且光的波长越短，散射强度越大（散射强度会和波长的四次方成反比）；而米氏散射是指光照到直径跟光波长相当，或是比光波长还要大的粒子（烟雾，液滴，尘埃）时，光主要会沿着原本行进的方向散射。但与瑞利散射不同，米氏散射的散射强度和波长并没有固定关系。空气中的微粒会造成米氏散射，而且当微粒大小与波长相近时，会有共振增强散射的现象。

来自天空的光线经过大气的瑞利散射多是蓝色，来自太阳的光线其中波长较短的蓝紫光将被散射，只有波长较长的红橙光到达人眼（人眼观察到的天空颜色多是散射光，太阳光则是直射光）；而水滴组成云与可见光的波长大小相当，因此云多是米氏散射造成的白色；

平常的天空之所以看起来是蓝色，就是受瑞利散射影响。太阳光由许多不同波长的光混合而成，当太阳光进到地球的大气层时，就会撞击到大气层中的空气分子，这些空气分子的大小约为1奈米（1奈米＝10^-9m），比可见光的波长小许多，因此空气分子受到太阳光照射后，会以瑞利散射的形式重新把光散射出去。太阳光中波长较长的红、橘光散射的强度比较弱，往外散射的光会以短波长的蓝、紫光为主。再加上人眼对紫光的敏感度较低，所以我们平时看到的天空会是蓝色的。

而当我们直接观察太阳时，会觉得太阳看起来偏黄，是因为短波长的光向外四面八方散射后，留下较长波长的光所致。也就是说，本来是白色的太阳光，经过大气层之后，短波长的蓝色散射较强，可以从天空的各个方向进到我们的眼睛，造成我们看到蓝色的天空。而太阳本身因为蓝色光被散射掉，因此呈现互补色，也就是黄色。

这个现象在清晨与傍晚格外明显，因为此时太阳光斜斜射向地球，穿过的大气层更厚、让更多的空气分子散射，让较短波长的蓝色到绿色光都被散射掉，使得太阳本身变成了橘红色。有兴趣的读者可以自己用一个水箱加奶精，配合手电筒即可看到类似的现象。从图二，也可以看到水箱侧面散射出来的光偏蓝色，而穿过去的光则变成橘黄色。

摘自：Q/A：森林大火为什麽会导致天空变成橘红色？

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