黃昏時分的紅藍陰陽天—談反雲隙光


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讀者也許在某些趣圖分享站看過這張「半邊陰陽天」的照片,好像有某種異界大戰進行中的奇妙感覺。

譯: 前幾天從房間看到的日落只有半邊。

像科宅自己是在臉書粉專 @這時候只要笑就可以了 6月26號 分享的貼文看到的。

之後苦惱了一個月~~頭腦無法理解我的眼。直到機緣已到,終究大澈大悟看穿色即是空……總之,在下總算搞懂了(物理)。現在請容我嘗試用這篇文章解釋這個現象的成因,順便扯一些相關的有的沒有的←這才是本體。

首先我們考察圖片的出處。來自這則推特。推主 @laxmagd 是現居菲律賓宿霧島的一名日本人。拍照時間是 2019年6月19號 星期三 的黃昏,方位顯然是西方極樂園

對於懷疑這照片是修圖或手機白平衡壞掉的網民,推主還佛心給出錄影為證。討論串中,還有網友po出當天同城市不同角度的照片

圖片真確性判定。那到底為啥天空會這副德行?

容我先自提兩個(網友可能也會想到的)解釋,然後像在臉上擰熄香菸 ~~嘶嘶嘶~~ 一樣狠狠的反駁它們為何不可能對。

其一「難道這就是日夜分界線?!」
其二「這會不會是鋒面系統前後空氣的性質不同,像濕度之類的差異造成的?」。

兩個答案都很優秀(在下我邊搔頭邊想的),但都可以很快的排除。首先日夜分界線,或是正式名稱叫晨昏線,肯定是南北走向*,圖中是東西走向,顯然不會是晨昏線他本人。

又,我們剛剛考據出拍照的地點是在菲律賓的宿霧,地理小幫手表示宿霧市的緯度是北緯 10 度,正常而言,這麼低的緯度是不會出現鋒面這種天氣系統的。鋒面=中緯度的冷、暖氣團相持不下產生的天氣現象。但想到以後地球氣候壞掉還會越來越病入膏肓,未來的赤道會不會有鋒面這科宅就不知道了。

既然都提到晨昏線了,就不能不提到順帶一冷:這個天文學的專有名詞(凡是不會自己發光、是被照亮的天體都會有一亮一暗兩半球,日夜分界線就是兩半球的分界,其實是個圓不是線)大家早就在別的地方聽過了喔,它就是 terminator,和 終結者 是同一個字不同場合的不同用法喔。 #顯示為眼睛閃小紅點

*註:嚴格來說,因為拍照時間接近夏至(6 月 21 號),當天的日夜分界線會是北北西-南南東走向,約和經線夾 23.5 度角。因為地球自轉軸傾斜了 23.5 度,而晨昏線會隨地球公轉( 季節 )而搖擺走向。

既然都講到宿霧島了,就不能不再提到順帶第二冷:宿霧島宿霧市的觀光名勝是「麥哲倫十字架」。因為麥哲倫(Fernão de Magalhães, 1480-1521)不只來過菲律賓,當年他就是葬身在菲律賓的啦。就在今天宿霧國際機場所在的小島「麥克坦島」上,麥哲倫因為想搞搞帝國主義的手腕,介入當地部落領導之間的糾紛,雖然已經用一場火槍、火炮齊發的「演習」向在地人立威,卻萬萬料不到暴怒的宿霧剽悍居民還是仗著人數優勢、勇猛地刀斧並用地砍翻了麥哲倫的小隊。哲倫卒,因此,後來是麥哲倫的船隊但少一個他本人完成了環繞世界一周喔。#段考陷阱題

回到照片,橫豎想不通之下,科宅就把這問題放置。直到我很幸運地在臉書粉專 @旺仔的宇宙小屋台 8 月 6 日 的動態分享中看到了遲來的解答 ( ゚ヮ゚)/ 感恩啊旺仔。

如下影片,這是在 8 月 4 號於大阪拍攝的,乍看之下和開頭的照片有些不同,但其實是一樣的現象:理應是偏紅的天光之中,出現一條青色的射線(?) 投影(?) 巨大力場(?) 某種東西。

影片中,東京 TBS 電視台的記者詢問了專家,日本氣象廳的氣象研究員荒木先生,再次確認這現象絕對不是是芥末日的徵兆XD

人家正確的名字叫做「反薄明光線」(日) 或「反雲隙光」(台),英文是 anticrepuscular rays,其中 crepuscular 這個嚇人的字其實就是說「清晨和黃昏天色昏暗的時刻」,對應到日語的「薄明」。

「反●●光線」聽起來雖然有點科幻感,但科宅跟你說,講白了它很 low,翻譯翻譯就是「遠方某物體投射出的巨大的影子」,詳見後續說明囉。而且,之所以只在清晨和黃昏會出現這種現象也就忽然變得很合理:請想著早晨黃昏的影子被拖得很長很長的景象。

一開始 6 月 19 號宿霧市的照片是這個現象的超大型版本。不單單是一條,而是半面天空,整個照片的左方幾乎都被影子壟罩了。

得到關鍵字之後,更驚喜的發現,類似的現象早在2018年7月30日,就在我國屏東小琉球被民眾目擊,也登上新聞
〈影/小琉球放射「神秘藍光束」 氣象局:那是反雲隙光〉ETtoday新聞雲
更可喜可賀的是記者大姊也詢問了我國氣象局,獲得正確關鍵字一枚。這告訴我們有時候記者也會做功課,不過正確資訊對新聞的點閱率大約沒有幫助。

好的,我們的焦點現在轉移到這個問題……ㄟ,影子怎麼會有藍顏色呢?你說大氣中的影子到底是什麼意思啊。等等喔,一個一個來。來個一言不合就先吸貓,先看這張超有教育意義的「聖光貓」圖吧(此為出處)。

譯: 人類啊,這一天終於來到了。

本圖中看到由窗入室的光束、也看到影子了(由巨大魄力的貓頭投射出),因為有左右邊光亮的襯托,和雲隙光/反雲隙光的原理非常的類似。以下繼續說明,人生短短幾個秋,不到你懂不罷休。

強光射入暗室,讓光束現形的是室內空氣中懸浮著的灰塵。這稱為廷德爾效應(Tyndall effect),簡單說明就是光子撞到懸浮的微粒,往四面八方胡亂彈跳,換講好像很專業的術語就是散射(scattering),如雷射筆或其他強光源中發射的光子實在很多,途中被灰塵散射的光子,就如同在空氣中形成了一條直直的、微弱發光的次級光源,所謂的光束,講白就是藉由散射而發光的一條骯髒的空氣XD。

講一段題外話,像電影《瞞天過海》這種偷拐搶騙的情節裡常常會出現基於雷射光的防盜房間,像貓女這種盜賊就可以展現曼妙的身段和敏捷度,在雷射之中翩翩起舞了——整個是好萊塢老梗殺必死。但若是防盜公司把室內的空氣「除塵」得非常澈底,雷射光束就沒有東西可以散射,盜賊也就看不到了(這和電影神奇特製眼鏡無關,有散射就有光束、沒散射就沒有光束)。廷德爾:盜賊卒。

不過,盜賊理論上也可以如《將計就計》的女主角凱薩琳麗塔瓊斯一樣,拿出自己的粉餅吹一下,替空氣中製造一些灰塵,嘿!又有光束了。防盜公司表示哼哼那我們就改用肉眼不可見的紅外線雷射。

流言終結者:恭喜你,你重新發明了超商的自動門XDDDD。而且,其實雷射防盜系統在現實世界不存在,純粹是好萊塢的發明。這一集流言終結者非常經典,大家有空找來看看 [2006, s04e11. “Crimes and Myth-Demeanors 1”]。

雷射筆的軌跡之所以看得見也是廷德爾效應的例子。
[出處= @湯博士的物理空間 2019.08.07的動態分享]

防盜公司甚至有這個殺手鐧:把房間抽真空,連空氣都沒有了,就不存在任何能讓人看見的任何雷射「光束」——讀者下次要是在科幻片裡看到「太空雷射光束」,請面帶微笑地鄙視它。理由是真空中沒有任何東西可以散射,是故是不會有光束的。(除非那一區的太空非常髒、非常混濁,例如有大量微小的小行星塵埃或大量飛船在空戰後被汽化噴發的微小顆粒)。

總之沒有散射就沒有光束 = 廷德爾效應。以上。

廷德爾效應得名於英國物理學家約翰.廷德爾(John Tyndall, 1820-1893)。廷德爾是法拉第退休之後接替他職位的人。科學上的發現除了廷德爾效應,最重要的還有他正是第一個證明溫室效應(二氧化碳會吸收紅外線)的科學家。

且慢,到這裡其實還沒完,光用廷德爾效應還不能完美的解釋「反雲隙光」,但很可以解釋他的相反現象「雲隙光」(crepuscular rays),如下圖。

雲隙光有多種別名,如「天使的階梯」、「耶穌光」、「佛祖光」
雲隙光有多種別名,如「天使的階梯」、「耶穌光」、「佛祖光」

破綻在於,廷德爾效應沒辦法解釋原圖的一紅一藍的不同顏色,造成廷德爾效應的光散射,是由大氣中較大的懸浮微粒(霧霾、塵埃、霧)造成的。簡化來說,原始光線是啥顏色,被大的粒子彈開的散射光就是啥顏色,不會產生「色散」也就是不同顏色(波長)的光走不同路的現象。[所謂大指的是直徑約等於可見光波長。更深入原理請洽米氏散射]

故事還有下半段,要是敢你就慢慢看:

某世界名言說,人生是自己的,天空是大家藍色的,除了……黃昏的時候天空又是橙紅色的。如果讀者能大叫出天空顏色的關鍵字——瑞利散射(Rayleigh scattering)——的話,你是真的很宅,本宅表示讚賞。

「瑞利散射」是解釋天空的顏色的物理原理。瑞利散射和米氏散射的不同之處在於,首先不需要液態或固態的懸浮顆粒,只需要空氣中的各種氣體分子(遠小於可見光波長),就可以散射了 [詳細理由是分子的電偶極矩和光波的電磁場交互作用];其次,雖然一樣散射 = 光往四面八方跑,但在瑞利散射中,不同顏色的光會喜歡往不同角度跑。就是說,這次不僅有色散效果,而且效果還十分顯著。

有色散效果的瑞利散射。你看那個髮夾彎,果然很銳利。
有色散效果的瑞利散射。你看那個髮夾彎,果然很銳利。

遇到空氣分子的散射,波長短(藍紫色)的光線會喜歡轉一個大角度,而波長長(橙紅色)的光線會喜歡直走。

藍色轉彎,紅色直走 = 瑞利散射。

而原本混合了各種色光的太陽光,遇到大氣層之後,紅光表示毫無阻礙直直走,藍光就開始(撞到電偶極矩)亂轉彎,穿過大氣的距離越遠,藍光就脫隊越多,陽光的「成分」只剩下較不受瑞利散射影響的紅光。

其實不只大氣,海洋裡的海水會是藍色的也是同一個原理,深海除了光線會越來越暗,其實也會越來越紅。

當太陽靠近地平面的時候,要通過更厚一層的大氣才傳到我們眼前,已經很紅了。這點我們從國際太空站上的日昇日落來看就更明顯了。下方影片 1:05 處,可以看到太陽迅速變紅。

國際太空站(ISS)上的日落。因為 ISS 運轉得有夠快,一天之中會看到 15.6 次日昇日落,每 92 分鐘一次。(但比小王子的 44 次少)

白天的時候,陽光只需要穿過 50~100 公里的氣體(因為地心引力,大氣層裡大部分的氣體分子都侷限在地表 50 公里以下,隨高度以指數遞減)就可以到達地表。通過的半路上有一些迷途的藍色光子因為反覆髮夾彎,最後散佈在整個大氣層裡。正是這些迷路的藍色光子,貢獻了一個我們司空見慣、不假思索的現象——不,我修正,不是一個而是兩個:天空不只是藍的,它還是亮的。

嗯?天亮有什麼不對嗎。舉個例子,大白天就算躲在影子底下,沒被太陽直射,人還是有可能會被曬黑。因為白天的光源其實一直有兩個:一是太陽,二是被太陽照亮(產生散射)的大氣層。後者的精確名稱就是「天空漫射」或「天光」(diffuse sky radiation, or skylight)。白話文就是說,因為散射,就像前面說的廷德爾光束類似的原理,被陽光照到的大氣層等同於它自己也成為了微弱的發光體。

整個天空的漫射天光/整個大氣層的微弱發光,加總起來的強度,在晴朗無雲的時候可以達到直射陽光的六分之一強度。[陽光: 12萬勒克斯,光天化日下的影子: 2萬勒克斯]

最容易造成曬傷的紫外線,其實就是一種比藍更藍的光子,也更加愛在空中髮夾彎(散射/漫射),因此漫射天光也貢獻了約六分之一的紫外線,所以一樣需要擦防曬乳喔。

看得到多少天空就照到多少比例(強度)的天光,這也就是為什麼一樣是大白天的陰影下,等紅燈時在紅綠燈的影子下,感覺就比在狹窄的「一線天」巷弄裡亮得多:理由是,同樣沒有太陽直射,但前者有 360 度整個天空的漫射光在照著(六分之一),後者有建築物額外遮住了一大半天空。

這也是為什麼,就算在日全蝕的食甚 = 最黑暗的時刻,有整個月球那麼大的影子蓋在大地上,日食影子的中心地帶也不是完全的黑暗,因為還是有少量的光線從周邊的大氣漫射過來。#國土練成陣發動 [要不是鋼鍊的國家非常小,就是他們的月亮非常大]

就在讀者已經尖叫科宅你已離題萬里拜託趕快解釋半藍半紅的陰陽天的真相吧的呼聲中,我們第N次回歸正題。

所以在清晨和黃昏時,太陽斜射,從地平線算起到我們的眼中為止,陽光經過大氣層的距離大約是 1100 公里 [這是一個畢氏定理應用題,你會算嗎?],遠大於白天需要通過的距離,陽光也就變得更紅了。

可以想成這樣,同一道來自太陽的陽光,先給了比你早6小時時區(正中午)的人一片藍天,光線繼續跑,以最末剩餘的紅光給予你一片璀璨的黃昏。

終於,黃昏雙色天空的火柴人示意圖。請注意低層陽光高層陽光通過更長一段大氣層造成顏色差異。此外本圖嚴重的不合比例,小人實際並沒有50公里高。

有時候,地平線上會有一大坨雲,或是山脈,剛好遮住了穿過低層大氣的陽光,如上圖所示,低層陽光需要在大氣層中穿過最遠的距離,因此也最紅。就像原照片的右邊那麼紅。

*地圖小幫手:宿霧市在宿霧島的東邊,西邊有山脈,不過全島最高峰的海拔只有1097公尺,實在很難說是否造成了陰影。

但那坨雲和山的彼端投下的陰影,如原照片的左方,或是另外一些反雲隙光照片中的射線,怎麼會是藍色的呢?

答案是影子當然不是藍色而是透明無色的 XD 我們看到的藍色,本體其實是在影子更上方的高層大氣層。太陽光(從宇宙直接)入射高層大氣,不需穿過很長的距離而變紅,而且頭頂和陽光的夾角有整整90度,大多只有藍光能轉彎過來。

我有什麼證據支持這個理論呢?首先,可以預測,影子的部分一定會比較暗(請參考上面的聖光貓圖)。更詳細的理由是,在影子的方向,被我們看到的「被照明而散射發光的大氣」比較薄:只有高層大氣。而不像正常黃昏的一側是有上下兩層的兩度疊加。只要用儀器測量青色「反雲隙光」(其實是影子)和正常黃昏顏色的天空的亮度就可以證實惹。

第二,不曉得各位有沒有注意過,在黃昏當西方天際已經一片紅的時候,頭頂上的天空是什麼顏色的。答案不意外還是天藍色,可能有一點點偏紅,但隨著高度角越大(高層大氣)就越不紅,甚至遙遠的東方的天空仍然是藍色的。

最後再看一眼一開始的照片。現在你的腦理解你的眼了嗎?

來源 @laxmagd

這就是反雲隙光/反薄明光線的由來。我是科宅,我們下次見!

隨堂測驗:請用三十字描述米氏散射和瑞利散射的主要差異。

問題背後的問題:如果波長越短的光越容易瑞利散射,那天空為什麼不是紫色的?紫光比藍光波長更短呢。

散射不只會影響陽光的組成顏色,也會改變陽光的電磁偏振,傳說維京人可以用方解石類的礦物(太陽石)解析這個偏振光含有的方位訊息,在陰天一樣能在大海中行船。而很多種昆蟲的眼睛可以察覺到偏振,可以用來導航。海洋生物更是利用陽光在海面的偏振來獵食。

微後記:在寫這篇的時候,科宅想到有一群人肯定對於天空是什麼顏色,米氏散射、瑞利散射、天空漫射光的物理原理最為清楚——好萊塢CGI工程師,對物理原理清楚到一個極致的表現就是可以在電腦視覺特效裡面模擬一個有不規則雲朵分布的黃昏的景色,完全由第一性原理出發。換言之,matrix 即可建成 XD。如果同學覺得以上討論還是搔不到癢處(例如數學太少,談散射居然沒列出馬克士威方程組),搜尋「CGI model atmospheric scattering and cloud」之類的教程肯定會大開眼界。


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8 月 8th, 2019 by