首先介绍两种散射:

  • 瑞丽散射(Rayleigh scattering)
    • 发生在很小的颗粒上,比如大气里的气体分子。散射规律是与波长的四次方成反比,也就是说,对短波的散射远强于长波。

  • 米尔散射(mie scattering)
    • 对应于散射颗粒尺度接近光波长的粒子。比如火星大气里的尘埃,尺度约为3微米,对应于电磁波谱例的中红外光。米尔散射偏向于散射跟自身大小接近的波长的光。


根据Wikipedia:
The Mie solution to Maxwell's equations (also known as the Lorenz–Mie solution, the Lorenz–Mie–Debye solution or Mie scattering) describes the scattering of an electromagnetic plane wave by a homogeneous sphere. The solution takes the form of an infinite series of spherical multipole partial waves. It is named after Gustav Mie.
Mie解出的这个麦克斯韦方程组的解可以用来描述电磁波跟粒子之间的相互作用。而上述的两种散射只是一些简化的情况。可以从上图中看出,不同颗粒的物质的散射在不同波长处的强烈程度是有一定的复杂性的。不过,从一个统一的角度来看,瑞丽散射也是一种特殊的Mie散射,因为瑞丽散射的颗粒非常小,因此对短波长的光散射更大。

言归正传,地球大气里主要成分为气体分子(在非沙尘天气里),颗粒很小,行为由瑞丽散射描述,散射波长短的光子。因此,你在白天看到的天空是蓝色的,因为气体分子受到太阳光照射,散射蓝光。而在火星上大气稀薄,气体成分不在主导散射行为,而相比之下尘埃颗粒较多,这些尘埃颗粒比较大(几个微米的量级),散射行为由米尔散射(mie scattering)描述,散射的光子波长跟自身颗粒大小相同,因此散射红光,这时你看到的天空的颜色是红色。而在视线方向上,因为来自太阳的光中红色部分被散射掉了一些,所以,你看到的光会偏蓝。

不过,要补充一点的是,总体来比,因为尘埃颗粒比空气中气体分子的截面积大,其散射能力相比就更强。

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看到有人提到了沙尘暴。这真是一个极好的例子。

因为地球上的沙尘暴天气正好接近火星的情况(当然地球大气的气体分子也很多,所以还是有些不同,相当于Rayleigh+mie)。我们来看看沙尘天气的照片(图片来自网络):


从图上我们可以清楚的看到,太阳和周围的光是偏蓝的,因为Mie散射的缘故。而天空的颜色是红色的,同样,因为尘埃散射了红光,所谓在非太阳视线方向上天是偏红色的。

基于 @fishbone 的评论,补充如下:

本文中所有提到的 Mie scattering 是指的 Mie theory 的大颗粒近似,也就是说颗粒远远大于波长的情况。火星空气中的颗粒在微米量级,是可见光波长的几倍,做大颗粒近似带来的结果并不完整。因为大颗粒近似的结果是返回到几何光学,毕竟颗粒很大,颗粒上各处的响应(respone,电磁散射的唯象解释)不相干,导致大颗粒近似不依赖波长。

而 Rayleigh scattering 是 Mie theory 的短波长(小颗粒)近似,也就是说这时候因为颗粒很小,颗粒上各处的响应(理解为颗粒局域对于光的吸收和散射)会跟这个颗粒上其它地方的响应相干(因为颗粒比波长小),这时候就会导致散射的强弱依赖于波长。Rayleigh 散射对波长的依赖是非常敏感的,与波长的四次方成反比。也就是说,对于一个小颗粒来说,短波长的更容易散射掉,比如大气分子对蓝光的散射,导致了蓝天。

如果去完整的通过 Maxwell 方程接触球形颗粒对光的散射,也就是 Mie theory,得到的结果可以被分成三区域:大颗粒近似,小颗粒/短波长近似,以及中间部分。
电动力学是非常直观的,通过各种极限近似我们可以知道到底发生了什么,即便对于那些不在近似区域的,我们也大概能够理解会有什么发生。

这个讨论跟其它讨论中,比较容易混淆的是,其它的答案中的 Mie scattering 说的其实是这个答案中的 Mie theory. 而这个答案中的 Mie scattering 是说的 Mie theory 的大颗粒近似。


现在回来思考火星上沙尘的问题。下面是几个火星大气中散射讨论:

  1. 火星大气分子的 Rayleigh 散射,这个非常弱,因为火星大气非常稀薄,是地球的千分之一左右,8mbar. 在这个问题里面不起作用。
  2. 沙尘的 Mie scattering (Mie theory 大颗粒近似,这个效应的主要来源是大气中远远大于可见光波长的颗粒),这个效应是与波长无关的,正如开头所解释的。所以这个也不能导致蓝色的太阳。
  3. 火星大气中有一些 1-2 微米的气溶胶,沙尘等,这时候使用短波长近似(Rayleigh 散射)和大颗粒近似都不行了。完整的解决需要完整的解出 Maxwell 方程组。定性理解的话,可以理解为,因为沙尘比波长大不了多少,蓝光被散射了,从而形成了太阳和周围的蓝色的区域。
  4. 与地球不同的是,在地球上,光线很容易通过大气,火星上沙尘暴强烈的时候,对于可见光并不是很透明,散射的方向性并不是很明显,所以蓝光散射并不会导致太阳变成红色,而周围是蓝色的情况。
  5. 火星沙尘很多铁的氧化物,对红光有很好想吸收作用。




>>>>>>>>>> 以下是原答案 >>>>>>>>>>>>>>

现在比较可能的有两种解释,一种是认为这是 Rayleigh 散射造成的,可以解释蓝色的现象。另一种解释是,蓝色日落是火星大气中沙尘吸收造成的。

但是由于火星的大气非常稀薄,大气分子的 Rayleigh 散射非常弱。而火星大气中的气溶胶和沙尘太大,他们不能导致 Rayleigh 散射。

小编为了确认哪一种是正确的解释,专门去咨询了TAMU 的Mark Lemmon(因为发现他写过多篇关于火星大气及沙尘特性的论文并且有多项分析火星探测器视图资料的工作),得到了如下答复:



Mark 的回答证实了这并非是 Rayleigh 散射造成的,原因是火星大大气非常稀薄。而且如果这是 Rayleigh 散射,会有颜色的过渡,而不会是从蓝色变到淡蓝变到白色这样的。

Mark 的解释是,火星大气中的 1-2 微米的气溶胶的“衍射”效应造成的。这个大小的气溶胶颗粒的效应会导致太阳周围变成蓝色。Mark 在这个页面 提到了火星沙尘散射红光来解释蓝色太阳。

小编总结起来,是这样的:

火星沙尘直径约为 1 微米,而可见光波长在几百纳米, Rayleigh 散射发生在颗粒大小小于 1/10 波长的时候。由于颗粒直径比红光还要稍大,这时候 Rayleigh 散射并不会很强烈。另外由于 Mie 散射是对于所有波长等价的,所以也不会出现色彩选择的情况。


导致了下图中这种大片红色天空的原因,是因为更长波长的衍射(超出了 Mie 近似和 Rayleigh 近似的)和氧化物吸收



那么为什么“我们”看到的太阳周围是蓝色呢?这个跟在地球上为什么日落的太阳是红的很相似。由于红光被散射和吸收掉了,剩下的,大多是蓝色的光,所以看起来是蓝色的太阳和蓝色的晕。

简单来说,地球看到红色日落,是因为大气 Rayleigh 散射导致蓝色的光减少,火星蓝色的日落是因为沙尘散射和吸收了红光,导致红光减少。


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扩展阅读和广告时间:
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0. 更多的关于火星日落的内容(图片和视频),可以看我们《星海航纪》的《火星的日落》一文。
1. 星际移民中心:星际移民中心
2.星际移民中心微博
3. 星际移民中心的在线杂志:《星海航纪》 (目前开始接受投稿,要求请看此页。)

并非题主,也有相似的问题。见过图,确实是蓝色的,但仍旧好奇原因。看了匿名用户的答案,觉得很不满意。明明太阳光谱在大气边缘(即没有进入大气层的情况)也是绿光最多的,为什么火星上看到的是蓝太阳?

从右往左看,800~550算红黄光,到500算绿光,到450算蓝光,再往左是紫光。不考虑大气的话,绿光最强。但实际上因为可见光全谱不缺频,宇航员看到的是白太阳。

然后我去搜了搜火星大气的情况,主要成分是二氧化碳,其次是氮、氩,此外还有少量的氧和水蒸气。跟地球大气的差别就在于二氧化碳和氩气的含量了。从上图可以看出,二氧化碳的影响在红外的部分,不管它。氩气的吸收谱没找到,但既然我们拿氩气来做光谱仪,估摸着它的吸收谱应该不在可见光范围吧。
最重要的是,火星大气稀薄(地面压强不到1kPa),没道理火星大气的太阳光谱会跟太空的太阳光谱差很多。

既然不是大气的吸收,就只剩散射了。火星大气中有很多粗粒尘埃,长波长的光肯定不占优,看到的太阳不是红黄色很正常,绿光波长稍长于蓝光,大概散射也比蓝光厉害吧。而紫光从图上可以看到,本身就很弱,所以最后呈现的是蓝光的颜色。
以上是我定性的粗浅分析,大概是不靠谱的。

希望有人能给出精准的回答。

解答一下 @牧不知的问题,未必完全,还望补充
上面这张图是CIE1931色彩空间图,CIE(国际照明委员会)

颜色是一门很复杂的学科,它涉及到物理学生物学心理学材料学等多种学科。颜色是人的大脑对物体的一种主观感觉,用数学方法来描述这种感觉是一件很困难的事。现在已经有很多有关颜色的理论、测量技术和颜色标准,但是到目前为止,似乎还没有一种人类感知颜色的理论被普遍接受。
RGB模型采用物理三基色,其物理意义很清楚,但它是一种与设备相关的颜色模型。每一种设备(包括人眼和现在使用的扫描仪、监视器和打印机等)使用RGB模型时都有不太相同的定义,尽管各自都工作很圆满,而且很直观,但不能相互通用。
为了从基色出发定义一种与设备无关的颜色模型,1931年9月国际照明委员会在英国剑桥市召开了具有历史意义的大会。CIE的颜色科学家们试图在RGB模型基础上,用数学的方法从真实的基色推导出理论的三基色,创建一个新的颜色系统,使颜料、染料和印刷等工业能够明确指定产品的颜色。会议所取得的主要成果包含:
1、 定义了标准观察者(Standard Observer)标准:普通人眼对颜色的响应。该标准采用想象的X,Y和Z三种基色,用颜色匹配函数(color-matching function)表示。颜色匹配实验使用2°的视野(field of view);
2、定义了标准光源(Standard Illuminants):用于比较颜色的光源规范;
3、定义了CIE XYZ基色系统:与RGB相关的想象的基色系统,但更适用于颜色的计算;
4、定义了CIE xyY颜色空间:一个由XYZ导出的颜色空间,它把与颜色属性相关的x和y从与明度属性相关的亮度Y中分离开;
5、定义了CIE色度图(CIE chromaticity diagram):容易看到颜色之间关系的一种图。
这是从度娘那里拿来的简介,别说我懒(没错,我就是懒- -)
回到这张图上,中间那条黑线被称作普朗克轨迹,简单地说,黑体随着温度的升高,所显现的颜色是沿着这条线的,很明显,这条线没有经过绿色,这也就导致了我们看不到绿色的恒星
“答主,那氐宿四呢?”
“额。。这个嘛。。”
氐宿四是全天唯一可以观测到的绿色恒星(这不是打脸了么。。别急),但实际上jumk.de/astronomie/spec从这里可以发现,有些人看到觉得是白的,有些人觉得是绿的。我想各种原因一是如引用中所说颜色的界定涉及物理,生物,心理等各个因素,很可能因个体不同而造成结果不同,二是氐宿四的辐射中绿光成分是很重,但同时紧挨绿色的黄色和其他颜色也很重,颜色混合也会导致观测结果的不同(Ps,黑体辐射所显示的颜色都是混合色,各个颜色因黑体温度不同所占强度也不同,混出来的颜色也不同
回到题主的问题,火星上大气稀薄,但多的是沙尘,沙尘颗粒大,对长波的散射也很严重,(原本空气中的气体分子直径小于可见光波长导致短波被散射的异常严重),据我的北京室友反应北京一到沙尘天,太阳光就会偏蓝,我想大概是同理。

只见蓝光一闪,题主无故消失,国外台湾某知名艳星表示清者自清

地球上夕阳真的是红色的吗

类似于北方沙尘暴时惨白的太阳

是的,十月二号刚回来!

为何不百度?
绝大多数你想得到的问题,别人都问过了!

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