紅色旭日與粉紅月亮一樣,都是大氣發生瑞利散射的結果

2020-12-03 新華網客戶端

紅色旭日與粉紅月亮一樣,都是大氣發生瑞利散射的結果。

在太陽光紫外線的照射下,木星大氣中的硫與大氣中的分子發生各種光化學反應,形成了各種顏色。NASA

人馬座的三葉星云為發射星雲,被周圍O、B型恆星猛烈的紫外輻射激發,發出亮光。紅色來自於氫(Hα)輻射,綠光則來自於氧,黃、褐等顏色來自於硫和其他離子。NASA

我們用肉眼幾乎看不出日月之外其他星球的顏色。其實,那些並不起眼的行星也都色彩斐然,宇宙天體更是色彩斑斕。

超級月亮又來了!今年似乎還有了新的花樣。「超級粉紅月亮」「金色月亮」等詞這幾天霸佔了我們的屏幕。

相信大家對「超級月亮」已經不陌生了。但「粉紅月亮」「金色月亮」是什麼?事實上月亮顏色的變化並不稀奇,在漆黑深邃的星空中,潛藏著的是無數瑰麗無比的彩色世界。

 瑞利散射讓日月「變色」

人們印象中的月亮,通常都是銀光皎皎、一片潔白,諸如「皓月當空」「冷月清輝」等詞句描寫的都是這樣的場景。從原理上講,也理當如此,因為月光來自太陽光的反射,當然也同陽光一樣都是白色。不過若留心觀察的話,當月亮剛升起不久(或快要落山)時,經常能看到它呈現出偏暗紅的顏色,隨著高度的上升,逐漸變亮至暗橙黃色,當升到較高時,則已基本上是一片銀白了。

這就是所謂「粉紅月亮」「金色月亮」的由來。其實紅和黃並不是月亮本身的顏色,而是地球大氣給它「上的色」。類似的顏色變化在明亮的太陽上表現得更加明顯。旭日初升時,常常可見一輪紅日噴薄而出,霧霾較重時,也能見到發紅的太陽懸在空中。這都是大氣發生瑞利散射的結果:陽光穿過地球大氣時,會被大氣分子以及塵埃顆粒散射,波長越短散射得越厲害。地平面附近的太陽,和它位於高處時相比,陽光穿過的大氣要厚上幾倍,波長較短的藍光幾乎被散射殆盡,波長較長的紅光部分雖然也因散射而強度大減,但仍足夠抵達人眼。這時的太陽就呈紅色或橙黃色,而且直視也不覺刺眼。隨著太陽逐漸升高,穿過的大氣路徑越來越短,陽光越來越強,藍光等短波長光線的強度也在增加,我們就看到太陽從橙色、金黃色直到變為刺目的亮白。

月亮的顏色變化也如出一轍,只是因為光線暗弱,而人眼在暗視覺時對顏色不敏感,看起來沒有太陽變化得這麼明顯。尤其是所謂的「金色月亮」遠非想像中那麼金光耀目。滿月的亮度只有太陽的40萬分之一,而且當它因塵埃散射而呈現出紅和黃的顏色時亮度更弱,人眼的色覺已很不敏感,我們能感覺到暗黃的色彩,但並不如照片中那麼明顯。

現在由於大氣汙染,「玉兔」變紅也已屢見不鮮了,這通常都發生在大氣中粉塵較多的時候。天文愛好者們眼中「正宗」的紅月亮,指的是月全食時的紅月。此時地球擋住了太陽射向月亮的光芒,陽光中的藍光被地球大氣散射,一部分紅光穿過大氣抵達月面,再被月亮反射回來。於是我們可以看到一輪暗如紫銅的紅色滿月。

行星顏色多由大氣「作主」

除了太陽和月亮以外,因為距離太遠,我們用肉眼幾乎看不出其他星球的顏色。其實,那些並不起眼的行星也都色彩斐然。

太陽系中,有些行星的顏色來源於他們的地表。大氣稀薄的火星和沒有大氣的水星,展現的是它們的地表「本色」。火星的紅色十分醒目,肉眼就能分辨,因為它表面大部分區域都覆蓋著富含氧化鐵的紅褐色塵埃,還有南、北極冠(主要是乾冰)的白色也是火星的特色。水星的表面和月球有些相像,巖石反射陽光,也是一片銀白。

金星、木星、土星、天王星和海王星,顏色則全憑大氣「做主」。金星大氣十分濃密,其質量是地球大氣的90倍,導致無法看到行星表面。另外四顆氣態行星則根本沒有確定的地表,物質由外到內從氣態逐漸過渡到液態和固態。不同的大氣成分以及反射、吸收等效應,給它們帶來了斑斕的色彩,其中木星尤為多彩多姿。

木星大氣的最主要成分是氫氣和氦氣,還有少量甲烷、氨氣和水蒸氣等。它們本都沒有顏色,但卻因活躍的「著色劑」——硫,而鮮豔起來。在太陽光紫外線的照射下,硫和上層大氣中的分子發生各種光化學反應,形成的硫化物(例如硫氫化銨)產生了紅、褐、黃等顏色。

土星的顏色也是如此。它的引力小於木星,雲層比木星更「蓬鬆」也更厚。再加上離太陽更遠,大氣光化學反應更弱,顏色不如木星豐富。但卻更加均勻齊整,在硫化物的「著色」下,呈現為柔和的奶黃色。

更遠處的天王星和海王星,光化學反應很弱,整個表面基本都是一片藍色。這得歸功於甲烷。甲烷沒有顏色,卻是強力的紅光「捕手」,能大量吸收波長較長的紅、黃光,把短光反射出去。甲烷濃度越高,反射光的顏色越藍。天王星大氣中甲烷含量約為2%,它呈現為藍綠色;海王星甲烷含量約為3%,就成了一片湛藍。

表面溫度決定恆星「色調」

太陽系以外,宇宙天體更是色彩斑斕,氣象萬千。

在晴朗的夜晚仔細觀察的話,用肉眼也能發現恆星有著不同的顏色,這些都取決於它們的表面溫度。比如離我們最近的恆星——太陽的顏色是黃色,這是因為它是一顆G型星,表面溫度為5800開爾文(K)。其他恆星例如藍色的參宿一是O型星,表面溫度將近40000K,白色的織女星為A型,溫度約為10000K,紅色的心宿二屬於M型,溫度只有3000K左右。

上述G型、O型、A型其實都是恆星的光譜類別。恆星可以按照光譜分為7大類,以O、B、A、F、G、K、M表示(即光譜型),不同類型具有不同的表面溫度,從O到M遞減。同時,恆星的顏色也由藍、藍白而逐漸變成黃、紅色。

除了恆星,宇宙深空中還有不計其數的星雲、星系等天體,色彩更加瑰麗。紅色的星雲大多是發射星雲,它們被周圍O型、B型恆星猛烈的紫外輻射激發,然後發出光芒。其中的紅色來自於氫(Hα)輻射,綠光則來自於氧,黃、褐等顏色來自於硫和其他離子。藍色的星云為反射星雲。它們周圍的恆星沒有足夠的輻射使之電離發光,但足以讓它們因反射而發亮。這背後的物理機制也是瑞利散射,與「天空之所以是藍色」的道理一樣:附近恆星射來的星光裡,藍光被星雲中的物質顆粒大量散射,而紅光大部分可以透射出去。我們從旁邊觀測星雲時,就只見藍光而不見紅光了。

星系的尺度比星雲大得多,動輒包含數以千億計的恆星、星雲以及大量星際塵埃、氣體等,它們有的生、有的滅、有的發射、有的吸收……在各種難以想像的紛繁擾攘中共同塑造出星系的顏色,已非筆墨所能形容。

我們之所以能欣賞到眾多天體的壯美圖像,要得益於攝影師的辛勤勞動,以及各種尖端設備的助力,它們大大延伸了人類的視覺。這些照片大都需要幾小時甚至幾十小時的長曝光,再加上複雜的後期處理,儘管色彩細節或許並不等同於肉眼所見,也足以讓我們一睹宇宙的無盡之美了!

(作者系北京天文館研究員 李 鑑 )

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