当我们看到天空是蓝⾊的时候,照在地⾯的光为什么还是⽩光呢?因为天空的颜⾊取决于⼤⽓层散射光的波⻓,⼤⽓层对蓝紫光的散射作⽤较强,⽽照在地上的光基本是未经过散射的阳光。太阳光的波⻓⼤致在150nm-4000nm的范围内连续分布,主要分布在可⻅光波⻓390nm-770nm范围内。因为太阳光包含了不同波⻓的光,视觉上看起来呈⽩⾊,因此我们称之为⽩光。
我们看到天空是蓝⾊的,是因为⼤⽓层对蓝紫⾊的光的散射较强。我们知道,⼤⽓层本身并不会发光,因此我们看到的蔚蓝的天空其实是接受到了⼤⽓层散射的太阳光的信号。当⼤⽓中颗粒物尺⼨较⼩,空⽓质量较好时,阳光在穿过⼤⽓层时会发⽣瑞利散射,散射强度与光的波⻓λ成四次⽅反⽐关系。光的波⻓越短,散射强度就越强。
⽽在可⻅光范围内蓝紫光的波⻓是最短的,再加上⼈眼对蓝⾊波段的光⽐紫⾊波段的光更为敏感,因此我们看到的天空⼀般呈蓝⾊。⽽当天⽓不好时,⼤⽓中弥漫着各种颗粒较⼤的污染物。在这种情况下会发⽣⽶⽒散射,散射光⼀般没有具体的颜⾊分别,呈现灰蒙蒙的天空。瑞利散射的散射光强度相对⼊射太阳光的强度较⼩,通常只有千分之⼀的量级。因此根据能量守恒,瑞利散射后绝⼤多数的⼊射光继续沿原有⽅向传播。
⼤部分的阳光都以直射的⽅式到达了地⾯,包含各种波⻓,呈⽩光。极⼩部分的蓝紫光被天空散射,使天空呈蓝⾊。不过在清晨及傍晚,阳光以掠⼊射⻆度照射,穿过⼤⽓层的距离增加,因此会有更多的蓝紫光被散射,直射的地⾯的光便更多以红光为主,使得朝霞和晚霞⼤体呈红⾊。最近被沙尘暴新闻刷屏,细数下来今年我国北⽅已经被沙尘席卷⼗次了,那么它究竟是从何⽽来的?今年沙尘暴多次影响中国,那么沙尘暴究竟是从哪⾥来的呢。
正如我们所看⻅的,沙尘暴就是⻛吹着沙⼦到处⻜,所以沙源和⻛是沙尘暴产⽣的两个重要的条件。世界上为沙尘暴提供沙尘的最主要的地⽅被称作沙尘带,这⽚区域从⾮洲⻄海岸开始,横跨⾮洲,经过中东和印度北部,⼀直延伸到中国⻄北部,对中国影响最⼤的区域则主要是新疆的塔⾥⽊盆地和蒙古国。
蒙古⽓旋为沙尘暴提供⻛⼒,⽓旋是⼤量空⽓绕着⼀个低⽓压中⼼旋转形成的,由于中⼼⽓压低,周围⽓压⾼,中⼼⽓流上升,地⾯附近⼤⽓向中⼼运动,由于科⾥奥利⼒的作⽤,⽓流汇聚时发⽣偏转,使得⽓旋在北半球作逆时针旋转。⽓旋对沙尘的驱动主要有两⽅⾯:⼀⽅⾯低空⼤⽓向低⽓压中⼼汇聚的⽔平运动驱使沙尘移动,另⼀⽅⾯上升⽓流将沙尘运往⾼空。除蒙古⽓旋外,⻄伯利亚冷涡等不稳定⼤⽓条件也会促使沙尘暴形成。
沙尘的运动依据颗粒⼤⼩和⻛⼒强弱的不同存在三种类型,蠕动、跃移和悬浮漂移,如下图所示。沙尘在⻛⼒作⽤下可以产⽣蠕动、跃移和悬浮漂移三种运动模式。悬浮漂移是⻓程运动,可以将沙尘吹出沙漠,但仅限于⼩颗粒。另外两种则是短程的,但它们能促进产⽣更多⾜够⼩的颗粒参与悬浮漂移运动。在⻛⼒的作⽤下,⼟地上的直径约100μm的⼩颗粒(不妨称之为“沙”)发⽣跃移:短暂升⼊空中之后很快落回地⾯,如同跳跃⼀般。
直径70μm之下的⼩颗粒(不妨称之为“尘”)由于彼此相互作⽤较强,不容易被⻛吹起,但“沙”跃移落地后的冲击却可以将“尘”从地⾯抛出,这部分“尘”将参与⻓程的悬浮漂移。