紫色天空的出现了,是魔界降临吗?
2019-10-23 17:03

紫色天空的出现了,是魔界降临吗?

本文来自微信公众号:果壳(ID:Guokr42),作者:矩阵星,编辑:luna、大琳砸,封面:东方IC


10月12日,在近几十年来最强的超级台风“海贝思”(Hagibis)登陆前,日本京都等部分地区上空出现了壮观的景象:整个天空被染成了鲜艳的粉紫色,在浓云密布的映衬下,诡谲的画面宛若动画场景中的“魔界”。网友在拍照记录这一奇景的同时,也对超级台风可能造成的巨大损失充满了忧虑。


伴随台风海贝思而来的紫色天空 | Twitter @Desu_unknown


伴随台风海贝思而来的紫色天空 | Twitter @あらーとくん


事实上,此次在日本出现的“紫色天空”现象一个月前也曾在美国出现过。9月,在飓风多利安(Dorian)侵袭后,美国佛罗里达州的上空也呈现出浓烈的紫色,人们纷纷在社交媒体上对这一奇特的现象表示惊叹。


再往前追溯一年,同样是在佛罗里达州,飓风迈克尔(Michael)登陆后也留下了紫色天空这一壮丽的场景。


飓风多利安带来的紫色天空 | Amy Pope-Latham, Coastal Beaches Therapy


尽管海贝思等台风到来时将天空染成紫色,这一奇景并不一定意味着灾害的降临。2018年1月,在新西兰奥克兰也有人记录下了类似的景象,而除了空气非常潮湿以外,没有极端的气象灾害在随后被观测到。


2018年1月 奥克兰傍晚的紫色天空 | Twitter @Rob Isaac


紫色天空的出现自然不是所谓的“魔界降临”,我们可以运用光学原理对这一现象进行科学解释。


晴朗天空为什么是蓝色的?夕阳为什么是红色的?


我们平常看到的太阳光由不同波长的单色光混合而成,其中人类肉眼能感知到的可见光按顺序主要由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色组成,从红光到紫光,波长依次递减,红光波长最长,紫光波长最短。


晴朗天空的蓝色,与一种叫“瑞利散射”的现象息息相关。一百多年前,英国物理学家瑞利在研究中发现,当光散射到尺寸远小于波长的微粒上时,波长越长,散射光的强度越弱。紫光的散射能力最强,红光则最弱。


天气晴朗、万里无云的情况下,空气中固体颗粒等大直径的杂质很少,对光线造成的阻碍很小,太阳光主要与空气中的氮氧分子等微小粒子等发生散射,波长较长的红光等散射较少,而蓝紫色光成为散射的主要对象。


蓝紫光与空气中的分子发生瑞利散射 | Scientific Protocols


既然如此,为什么晴朗天空没有呈现出紫色呢?这与人眼的结构有关。经过长期的生物进化,人眼对于太阳光能量最为集中的波段最为敏感,对可见光中能量较低的紫光的敏感度排在最后。最终,太阳光的瑞利散射与人眼的敏感程度两大因素,决定了我们平时看到的澄澈天空是蓝色的。


然而,日出日落之时,天空往往被太阳光染成红色或者橙色,这又是因为什么原理呢?


与晴朗天空的情景不同,晨曦与夕阳的色彩主要是由色光穿透能力的差异决定的。中午时分,太阳光穿透的大气层较薄,蓝紫光在透过大气层的路程中散射相对较少。而在日出或日落时,太阳接近地平线,太阳光需要经过较厚的大气层才能到达地面,导致穿透能力弱的蓝紫色光因散射消耗较多而难以观察到,穿透能力强的红光则基本成功走过了这段漫长的旅途,最终使得日出与日落表现出红黄相间的色彩。


对晴朗天空与夕阳的颜色的解释 | Humboldt University Geospatial Online


台风来临后天空为何是紫色的?


理解了晴朗天空的蓝色与日出日落的红色的原因后,台风到来后的紫色天空又该如何解释呢?


对于在飓风迈克尔登陆后出现的紫色天空,有的解释将其归因于在空气中发生瑞利散射但没有显露出的紫色波长光。然而可见光中的紫色波段成分较少,不太可能会在天空中显现出如此强烈的色彩。


英国气象学家、BBC天气节目主持人萨拉·基斯-卢卡斯(Sarah Keith-Lucas)给出了不一样的答案。紫色天空的天象一般在落日时分出现,而除了太阳光散射外,夕阳的颜色还会受到灰尘、水滴、云层等因素影响。台风带来丰沛的水汽,透射而过的红光照亮云层底部,叠加在深蓝色天空上,最终呈现出紫色。


红色+蓝色=紫色 | This Brazen Teacher


在萨拉的解释中,天空的“紫色”并非由可见光的紫色波段光表现出来,而是红光与蓝光的混合,在人的视觉中最终变成“紫色”。天空背景的蓝色来源于太阳光的瑞利散射,而光线穿透大气层后留下的主要是红色光,紫色是由两者混合而成。


相比于紫色波长光的说法,萨拉的解释更为合理,不过台风到来前后,大气条件较为复杂,云层对光线的散射与折射会对现象的产生造成较大影响,红光与蓝光的混合暂时只是对紫色天空简单的初步解释,有待更为专业的研究。


紫色天空的颜色由红色与蓝色混合而成 | Glenn Randall Photography


火山爆发导致的紫色天空现象


台风带来紫色天空的原因也许没有定论,但在其他情景下出现的类似现象可以作为参考。


今年6月,俄罗斯雷科克(Raikoke)火山爆发,产生的火山灰和硫磺气体喷射到大气层中,在一些国家也造成了紫色天空的现象。无独有偶,1991年6月,菲律宾的皮纳图博(Pinatubo)火山爆发后,美国的部分地区也在日落时出现了紫色余晖。


今年10月5日,雷科克火山爆发产生的灰尘使得罗马出现紫色晚霞 | Virtual Telescope


对于这种被称为“火山薰衣草色”的现象,美国国家气象局的气象学家史蒂芬·克尔菲迪(Stephen Corfidi)做出了科学解释。火山爆发后,产生的大直径颗粒(如灰尘、硫酸液滴等)滞留在大气层,形成一种名为“气溶胶”的大气体系。


气溶胶体系能对太阳光中的蓝色波段产生强烈散射,落日时分的红色光辉在深蓝色的背景下,在视觉上便形成紫红色的晚霞。这与之前萨拉对紫色天空的解释是类似的。


以下的示意图做出了更形象的展示。日落时分,在低角度照射的条件下,穿透大气层而进入人视线的太阳光以红、橙、黄光为主。蓝光在光线长距离传播中被散射,这一过程主要发生在海拔较高的平流层等区域,强烈的红光加上较远的距离,使得人眼难以观察到蓝色的背景。


然而,火山爆发将火山灰、含硫颗粒等物质喷射到平流层后,颗粒物形成的气溶胶体系对蓝光的散射非常强烈,使得天空呈现出深蓝色背景。穿透大气层的红光与天空的蓝色背景在一定条件下混合,最终产生紫色天空的现象。


火山爆发后紫色天空的产生原因示意图 | Applied Optics


大型火山爆发将大量的火山灰等杂质喷射到大气层中,往往会带来奇异的天象,紫色天空只是其中的一例。1883年印度尼西亚的喀拉喀托(Krakatau)火山大爆发,是人类史上最大的火山喷发之一,这次喷发及其引发的海啸摧毁了数百个村庄和城市,造成数万人死亡。


火山将2000万吨含硫物质喷射到大气层中,把全球众多地区的日落染成极为艳丽的橙红色,著名画家爱德华·蒙克(Edvard Munch)举世闻名的画作《呐喊》的红色天空背景,被认为受到了这一现象的启发。


《呐喊》 | Wikimedia Commons


紫色天空的成因需要根据当地具体的大气状况进行分析,背后隐藏着复杂的物理光学原理。阴晴无常、变幻莫测的大气现象,蕴含着无穷的奥秘,等待着我们去发现——只不过,这些奥秘和魔界降临没什么关系。


美国亚利桑那州,紫色天空笼罩下的雪后峡谷 | Twitter @US Department of the Interior


参考来源:

[1]https://www.abc.net.au/news/2019-10-12/cities-evacuated-as-typhoon-hagibis-barrels-towards-japan/11596984

[2] https://edition.cnn.com/2019/09/05/us/hurricane-dorian-purple-skies-sci-trnd

[3]https://www.msn.com/en-us/weather/topstories/why-florida-skies-turned-purple-after-hurricane-michael/ar-BBOgbjG

[4]https://www.mnn.com/earth-matters/wilderness-resources/blogs/why-does-sky-sometimes-turn-purple

[5]http://gsp.humboldt.edu/OLM/Courses/GSP_216_Online/lesson2-1/scatter.html

[6] https://www.bbc.com/news/uk-england-46467988

[7] https://www.spc.noaa.gov/publications/corfidi/sunset

[8]https://www.forbes.com/sites/robinandrews/2018/01/15/lavenders-and-afterglows-how-volcanic-eruptions-paint-the-sky/#5a2c6374579d


本文来自微信公众号:果壳(ID:Guokr42),作者:矩阵星,编辑:luna、大琳砸

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