「在火星上，夕阳是蓝色的」

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「在火星上，夕阳是蓝色的」

2015-12-22 12:30:19 | 来源：玩转帮会 | 投稿：佚名 | 编辑：小柯

原标题：「在火星上，夕阳是蓝色的」

现在比较可能的有两种解释，一种是认为这是 Rayleigh 散射造成的，可以解释蓝色的现象。另一种解释是，蓝色日落是火星大气中沙尘吸收造成的。

但是由于火星的大气非常稀薄，大气分子的 Rayleigh 散射非常弱。而火星大气中的气溶胶和沙尘太大，他们不能导致 Rayleigh 散射。

为了确认哪一种是正确的解释，专门去咨询了 TAMU 的Mark Lemmon（因为发现他写过多篇关于火星大气及沙尘特性的论文并且有多项分析火星探测器视图资料的工作），得到了如下答复：

Mark 的回答证实了这并非是 Rayleigh 散射造成的，原因是火星大大气非常稀薄。而且如果这是 Rayleigh 散射，会有颜色的过渡，而不会是从蓝色变到淡蓝变到白色这样的。

Mark 的解释是，火星大气中的 1-2 微米的气溶胶的“衍射”效应造成的。这个大小的气溶胶颗粒的效应会导致太阳周围变成蓝色。Mark 在这个页面提到了火星沙尘散射红光来解释蓝色太阳。

小编总结起来，是这样的：

火星沙尘直径约为 1 微米，而可见光波长在几百纳米， Rayleigh 散射发生在颗粒大小小于 1/10 波长的时候。由于颗粒直径比红光还要稍大，这时候 Rayleigh 散射并不会很强烈。另外由于 Mie 散射是对于所有波长等价的，所以也不会出现色彩选择的情况。

导致了下图中这种大片红色天空的原因，是因为更长波长的衍射（超出了 Mie 近似和 Rayleigh 近似的）和氧化物吸收。

那么为什么“我们”看到的太阳周围是蓝色呢？这个跟在地球上为什么日落的太阳是红的很相似。由于红光被散射和吸收掉了，剩下的，大多是蓝色的光，所以看起来是蓝色的太阳和蓝色的晕。

简单来说，地球看到红色日落，是因为大气 Rayleigh 散射导致蓝色的光减少，火星蓝色的日落是因为沙尘散射和吸收了红光，导致红光减少。

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本文中所有提到的 Mie scattering 是指的 Mie theory 的大颗粒近似，也就是说颗粒远远大于波长的情况。火星空气中的颗粒在微米量级，是可见光波长的几倍，做大颗粒近似带来的结果并不完整。因为大颗粒近似的结果是返回到几何光学，毕竟颗粒很大，颗粒上各处的响应（respone，电磁散射的唯象解释）不相干，导致大颗粒近似不依赖波长。

而 Rayleigh scattering 是 Mie theory 的短波长（小颗粒）近似，也就是说这时候因为颗粒很小，颗粒上各处的响应（理解为颗粒局域对于光的吸收和散射）会跟这个颗粒上其它地方的响应相干（因为颗粒比波长小），这时候就会导致散射的强弱依赖于波长。Rayleigh 散射对波长的依赖是非常敏感的，与波长的四次方成反比。也就是说，对于一个小颗粒来说，短波长的更容易散射掉，比如大气分子对蓝光的散射，导致了蓝天。

如果去完整的通过 Maxwell 方程接触球形颗粒对光的散射，也就是 Mie theory，得到的结果可以被分成三区域：大颗粒近似，小颗粒 / 短波长近似，以及中间部分。
电动力学是非常直观的，通过各种极限近似我们可以知道到底发生了什么，即便对于那些不在近似区域的，我们也大概能够理解会有什么发生。

这个讨论跟其它讨论中，比较容易混淆的是，其它的答案中的 Mie scattering 说的其实是这个答案中的 Mie theory. 而这个答案中的 Mie scattering 是说的 Mie theory 的大颗粒近似。

现在回来思考火星上沙尘的问题。下面是几个火星大气中散射讨论：

火星大气分子的 Rayleigh 散射，这个非常弱，因为火星大气非常稀薄，是地球的千分之一左右，8mbar，在这个问题里面不起作用。
沙尘的 Mie scattering （Mie theory 大颗粒近似，这个效应的主要来源是大气中远远大于可见光波长的颗粒），这个效应是与波长无关的，正如开头所解释的。所以这个也不能导致蓝色的太阳。
火星大气中有一些 1-2 微米的气溶胶，沙尘等，这时候使用短波长近似（Rayleigh 散射）和大颗粒近似都不行了。完整的解决需要完整的解出 Maxwell 方程组。定性理解的话，可以理解为，因为沙尘比波长大不了多少，蓝光被散射了，从而形成了太阳和周围的蓝色的区域。
与地球不同的是，在地球上，光线很容易通过大气，火星上沙尘暴强烈的时候，对于可见光并不是很透明，散射的方向性并不是很明显，所以蓝光散射并不会导致太阳变成红色，而周围是蓝色的情况。
火星沙尘很多铁的氧化物，对红光有很好想吸收作用。

扩展阅读和广告时间：

0. 更多的关于火星日落的内容（图片和预告片），可以看我们《星海航纪》的《火星的日落》一文。

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