火星上的日落是什么样子？蓝白色太阳围绕蓝色光晕，背后原理揭晓

北京时间 4 月 13 日消息，据国外媒体报道，日落是宇宙中令人惊叹的奇景之一，能够触动每个人类彷徨的心弦。从绘画到诗歌、再到美丽的摄影作品，暮色四合的场景总能唤醒我们内心艺术的一面。

▲ 火星上的日落

但如果你有造访火星的计划，想在红色星球上以欣赏一场壮观的日落作为第一天的收尾，那你一定会大吃一惊的。

2005 年，在 NASA 的勇气号火星探测车拍摄的一张火星日落的照片中，只见天空中悬挂着一轮呈蓝白色的太阳，四周围绕着一圈蓝色的光晕，与地球上日落的场景迥然不同。

地球与火星的天空之间有种奇妙的联系。地球呈浅蓝色，天空也以蓝色为主，黎明和日落时分则逐渐变为橘红色。而巧合的是，火星的天空则呈现橘棕色，在日落时会逐渐过渡为浅蓝色。在两颗行星的天空中闪耀的都是同一轮太阳，为何颜色会如此悬殊呢？

火星上的日落

▲ 电磁光谱

火星距太阳比地球要远得多，因此从火星上看去，太阳要显得小得多、也黯淡得多。

多台火星漫游车收集的数据显示，太阳从火星上看，会呈现为浅浅的蓝白色。另外在日落时，太阳周围似乎被一圈蓝色的光晕笼罩，越往外颜色越浅，逐渐与灰红色的火星天空融为一体。

但这种现象究竟是由什么引起的呢？奥秘就隐藏在火星大气层中。

大气是如何影响太阳光线的？

太阳释放出的电磁辐射呈谱状分布，范围从高频的伽马射线一直到低频射电波。其中有一部分可以被肉眼探测到，因此名叫可见光谱段。我们一般将这部分光线叫做"白光"，但它们其实可以被进一步分解为七种不同波长的光线，即"赤橙黄绿青蓝紫"。

简单来说，同样的电磁辐射到达不同行星时的强度固然有所不同，但每颗行星上天空和太阳的颜色更是迥然相异。这是因为，除了阳光本身之外，我们所见的颜色还取决于另一个因素：光线穿越的介质。

光线与不同颗粒会发生不同的相互作用。遇到一个颗粒时，光线可能被吸收、也可能被反射、或者被散射出去。这些现象发生的程度取决于与光线发生相互作用的颗粒的性质。有些颗粒更容易使波长更长的红色光发生散射，有些则更容易使波长较短的蓝色光发生散射。因此，有些波长的光会在光线传播的过程中被剔除出去，剩下的光线便决定了我们看到的是何种颜色。例如，外太空中没有颗粒物可以散射或吸收光线，因此太阳在我们看来就是白色的。

为什么地球上的日落呈红色呢？这与一种名叫瑞利散射的现象有关。当颗粒物尺寸与光线波长相比很小时，就会发生这种现象。地球大气中微小的氮气与氧气分子会使蓝光发生散射，等到光线进入我们眼中时，就只剩红光了。

因此要想弄懂火星上的日落为何呈蓝色，我们首先要弄清火星大气的组成。

火星大气

▲ 光线在地球大气中的散射

火星大气密度只有地球的 80 分之一。在稀薄的火星大气中，约 95% 的成分为二氧化碳，3% 为氮气，1.6% 为氩气，还有不到 1% 为氧气。但火星大气中还遍布着尘埃颗粒。火星表面被沸石、赤铁、橄榄石、以及磁铁石颗粒所覆盖，这些是导致火星上蓝色日落的主要原因。

如前文所述，光线的散射取决于颗粒大小。地球大气中的颗粒物体积较小，因此更容易发生瑞利散射。但火星则不然，其大气中悬浮的尘埃颗粒直径介于 400 至 700 纳米之间，几乎与可见光波长相当，因此这些颗粒无法发生瑞利散射，而是会产生另一种光学现象 -- 米氏散射。

米氏散射

米氏散射是大颗粒的主要散射形式。不同于瑞利散射，米氏散射与波长之间的关系并不大，而是更大程度上取决于光线方向。向前散射发生的概率比向侧面或向后散射要大。

一般来说，各个波长的光线发生米氏散射的概率是均等的，但取决于颗粒大小和入射光方向，发生散射的波长也会有所不同。例如，火星大气中的尘埃颗粒使红光发生散射的概率就比蓝光要大。再加上火星大气中含有大量红色的氧化铁，火星的天空自然就呈现为红色了。

蓝色日落背后的科学原理

▲ 艺术家绘制的火星地形图

我们在分析火星日落时会注意到两项特征，一是太阳本身呈蓝白色，二是太阳周围环绕着一圈浅蓝色光晕。这种现象发生的原因又是什么呢？

为何太阳呈蓝色？

太阳在火星上看之所以呈蓝色，是因为火星大气会将偏红的光线过滤掉。火星大气中的尘埃颗粒大小正适合使红光发生散射，因此相比于蓝光，更多的红光会被这些颗粒散射出去。

由于太阳光在日出和日落时传播的距离最长，等到光线传播至地表时，红光几乎已经消除殆尽，只剩下波长更短的蓝光。这种现象名叫波长选择性消光，也正是太阳呈现蓝色的原因。

简单来说，可以将大气层想象为一块阳光"滤镜"。地球大气更容易滤除蓝光、留下红光，火星大气则更容易滤除红光、留下蓝光。

太阳周围的蓝色光晕是如何形成的？

太阳周围的蓝色光晕无法简单地用波长选择性消光来解释。散射规律在这里也发挥了重要作用。如前文所述，米氏散射在很大程度上取决于光线的方向，并且更容易向前散射。

因此当光线穿越火星大气时，大多数光线都会以较小的偏斜角向前散射。所以我们见到的不是蓝光沿着地平线均匀散布，而是一圈面积较小、较为集中的蓝色光晕笼罩在太阳周围。

▲ 米氏散射更容易发生在向前的方向上（即入射光方向上）

▲ 从左至右分别为瑞利散射、中间米氏散射、完全米氏散射

此外，不同颜色光线的散射规律也有所差异。在前进方向上，蓝光的强度几乎高达红光的六倍，因此在我们看来，离太阳越近、蓝光就越明亮。蓝光的强度在散射角为 10° 时达到最大值，随着散射角增加，蓝色波长的主导地位也会随之下降。当散射角超过 28°，红光的强度就会更占主导地位，这圈光晕就这样逐渐融入了暗红色的火星天空中。

简而言之，太阳的蓝色由波长选择性消光现象所致，蓝色光晕则是太阳光线在米氏散射作用下发生角散射的结果。

我们能在地球上见到蓝色的日落吗？

可别以为只有在火星上才能见到蓝色日落，事实上，地球上偶尔也能一窥这样的景象。1883 年印尼喀拉喀托火山爆发后，当地人就报告称该地区的太阳和月亮变成了蓝色，时间持续了一个多月。

同一时期，夏威夷的塞雷诺主教还报告称，他看到太阳周围有一圈蓝莹莹的光晕，被一圈棕褐色的光环包围着。这种现象也因此被称作"主教的戒指"。

除了火山爆发外，蓝色日落在沙尘暴频发的阿拉比亚沙漠中也偶有报道。另外，森林大火有时也会创造出红色的天空和蓝色的日落。

结论

除了以上各项因素之外，火星日落的颜色在很大程度上还取决于我们的双眼。只有等人类亲自目睹之后，我们才能描述出火星日落的真正颜色。在此之前，我们只能依赖火星漫游车传回的照片、或者等着看地球上偶尔一见的蓝色日落。