達·芬奇和宋代畫家告訴你，世上還有散射現象

最新 06-27

　　來源：科學大院

　　別動！快速回答我，現在你的眼前有什麼？

　　你可能會說：手機、電腦、書桌、小蛋糕。。。。。。好像還有點兒什麼一時想不起來。

　　這被你忽略的空氣，就曾是令列奧納多·達·芬奇（Leonardo Da Vinci，1452-1519）樂此不疲的研究對象。

　　我們先來仔細觀察達·芬奇這兩幅畫里的山水景，並思考一個問題：為什麼風景中遠處的山的輪廓越來越模糊，且顏色越來越接近天色呢？

《聖母、聖子與聖安妮》，1510-1513年；

《紡車邊的聖母》，1501年

　　達·芬奇在探索大自然時，敏銳地觀察到肉眼與景物之間的介質——空氣，並非是透明的，其效果是使離視點遠的物體的形體輪廓變模糊，明暗對比和色彩冷暖對比變弱，所謂近強遠弱，近暖遠冷，近濃遠淡。而且，遠的物體會漸變成背景的顏色。

　　所以，問題的答案就是：

圖 | 科學大院

　　氣質：組成地球大氣的物質

　　首先，我們每時每刻呼吸的空氣是由各種氣體組成的混合物，是保護地球的大氣層的主要成分。如以體積比表示，乾燥空氣的主要成分及含量為：氮（N2）78%、氧（O2）21%、氬（Ar）0.94%、二氧化碳（CO2）略高於萬分之四。其他氣體極少，有氦（He）、甲烷（CH4）、臭氧（O3）等。

　　除了這些，瀰漫在大氣中與空氣共存的還有水蒸氣和懸浮顆粒物（SPM suspended particulate matter，包括塵土、煙灰和煙塵）。後者在自然界中由火山爆發、風和沙塵暴等產生；此外，人類社會的發展也造成了大量污染氣體和塵粒的釋放，比如粗顆粒物（PM10）和細顆粒物（PM2.5）。

　以體積比表示乾燥空氣的成分。強調：不包括水蒸氣，水蒸氣的含量根據空氣蒸發量和溫度的不同，也就是說因地區和氣候而異 | 科學大院

　　當陽光遇見大氣：同學你擋了我的路~

　　其次，我們知道太陽光看似白色，其實是由不同波長的電磁輻射組成的，輻射99.9%的能量集中在紅外區、可見光區和紫外區。其中可見光區尤為顯著，波長在400~770納米之間。波長不同的電磁波，引起人眼的顏色感覺不同，比如770~620納米，感覺為紅色；490~460納米，為藍靛色。

不同波長的電磁輻射，人眼能感知的只有一小部分，我們稱之為「可見光」，電磁波譜圖比蒙娜麗莎肖像還有名，你肯定見過 | http://snowyying.site

　　大家都知道，1納米（nm）非常小，是1米（m）的十億分之一。直觀點說，我們細細的頭髮的直徑約60000~90000納米。

　　當陽光照射到物體表面時，會發生不同的物理現象，如吸收、反射、散射等。一個均勻不透明的物體被照射時，一部分特定波長的光會被它吸收，其它波長的光則會被反射出去，反射出的光和人眼的生理機制決定了我們看到的物體的顏色。

一個均勻不透明的物體，如紅蘋果，被陽光照射時，其它波長的光被它吸收，反射出的顏色和人眼的生理機制決定了蘋果的紅色 | Quora，圖有改動

　　散射，是光通過不均勻介質時發生的光傳播方向改變，擴散至四面八方的現象。散射和入射光的波長，介質的大小、形狀、折射率有關。為方便理解，我們可以想像一個均勻球狀粒子的介質，如它的半徑為r，入射光波長為λ，那麼我們定尺度數χ為：

　　當χ<<1，也就是說當粒子的尺度遠小於入射光波長，就會發生瑞利散射（Rayleigh scattering，由英國物理學家瑞利勛爵於1900年提出）：光被擴散至各個方向的強度不一致，該強度與光波長的4次方成反比。所以，波長越短的光，如藍紫光，散射能力越強；而波長越長的光，如紅光，則相反。

　圖 | University of Arizona， hydrology & atmospheric sciences

　　如上圖所示，一束白色的陽光（白色箭頭）被大氣中的空氣分子（黑點）散射。因為空氣分子（想像它們為小小的均勻球狀粒子）的粒徑比陽光波長小很多（例如，氮（N2）和氧（O2）分子的尺度分別為0.305和0.299納米），所以陽光中波長短的藍紫光散射能力比波長長的紅光更強，被散射至各個方向。因大氣中某些成分會吸收紫光，而且人眼對紫光不敏感，故而在風和日麗的日子裡，我們看到的天空是藍色的。

　圖 | University of Arizona， hydrology & atmospheric sciences，圖有改動

　　當你看近處的物體時，如上圖中的近山，你所感知的大多是山表面反射的光（綠棕箭頭）。而觀看比較遠的山時，就會感知更多的空氣分子散射至四周的藍光（藍色箭頭）；山與你的距離變得更遠時，介於你和山之間的空氣分子越來越多，散射的藍光幾乎覆蓋了反射的光，因此你看到的便是藍色的山。

　　所以，距離越遠，介於你和山巒之間的空氣分子越多，能到達眼睛的散射的光便越多，直到覆蓋反射的光。

　　因此，當你欣賞風景時，悄悄地觸碰你的眼角膜的不止是景物表面反射的光，還有空氣分子散射的光。

　　當0.1<χ<50，比如當空中有霧或薄雲時，也就是水蒸氣遇冷凝結後飄浮在空中的小水點，因為水滴比可見光波長大的多（直徑小於200微米），不同波長的光一視同仁地被散射，所有光組合起來便又是白色。

　　此外，前面提到了大氣中的懸浮顆粒物，這些顆粒物的粒徑是可見光波長量級或比後者大，比如，粗顆粒物（PM10）的粒徑小於10微米，細顆粒物（PM2.5）粒徑小於或等於2.5微米。如果在大氣中存在較多，陽光一定範圍的長短波都會被同樣的散射，使能見度降低，人眼看到的遠景變得模糊，只剩一片白茫茫的景象（PM10 與PM2.5都是造成霧霾天氣的「元兇」）。這種沒有選擇性的散射，通常被稱為米氏散射（Mie scattering，由德國物理學家古斯塔夫·米於1908年提出）。

　　微米是米的百萬分之一，是納米的一千倍。不想揭你的心傷哦，不過我們再拿頭髮作參考，一根細發的直徑約60~90微米 | 好奇心日報網，圖有改動

　　而當χ>50，就不能再以散射模型來研究，而是需要幾何光學的理論，所以這裡就先不談了。

　　大氣透視：立體&空間感&深遠意境

　　達·芬奇早在他那個時代，就結合對大自然的觀察，從生理和物理光學的角度研究了大氣對人眼看到的遠景的影響。在他的繪畫手稿中，他首次提出了「大氣透視」（atmospheric perspective）的概念。這個概念被他運用到作畫中，不僅在平面的畫面上加強了縱深感，使他筆下的景物栩栩如生，還營造了一種獨特的意境。

《聖母領報》。上：1489-90年，桑德羅·波提切利（Sandro Botticelli）