Jeg forstår hvorfor himmelen vår er blå og blir rød når solen går ned eller stiger opp. Jeg vet hvorfor himmelen på mars er rød, men hvorfor blir den blå under solnedgang og oppgang? Burde ikke dette faktisk fungere på grunn av den kortere bølgelengden blå har sammenlignet med rød?
tl; dr : På jorden sprer atmosfæriske molekyler blått lys mer enn rødt. Derimot, på Mars atmosfæriske, $ \ mu \ mathrm {m} $ -størrede hematittstøvpartikler gir tilfeldig motsatt effekt.
Først litt teori. Pene bilder senere.
Spredning av lys med bølgelengde $ \ lambda $ på partikler med radius $ r $ kan beskrives generelt ved hjelp av Mie theory. Ved å bruke variabelen $ x \ equiv 2 \ pi r / \ lambda $ , blir spredningstverrsnittet $ \ sigma $ span> øker bratt med $ x $ til $ x \ sim2 \ pi $ , hvoretter den avtar igjen og begynner å svinge, som vist i denne figuren:
Spredt tverrsnitt (normalisert til det geometriske tverrsnittet) som en funksjon av partikkelstørrelse-til-bølgelengdeforholdet (fra Wikipedia med mine egne merknader).
Med andre ord, når en partikkel er mye mindre enn bølgelengden av lyset ( $ x \ ll 1 $ ) øker sannsynligheten for å spre lyset bratt med avtagende bølgelengde - faktisk går tverrsnittet som $ \ lambda ^ {- 4} $ . Dette regimet kalles Rayleigh-spredning. Spredningseffektiviteten når et maksimum for partikler omtrent lik lysets bølgelengde ( $ x \ simeq2 \ pi $ ; grønn pil i figuren). Heretter faller den igjen, viser noen svingninger som har å gjøre med interferens i partikkelen, og sakte konvergerer til den "geometriske" verdien $ \ sigma = \ pi r ^ 2 $ span > (dvs. hva som forventes klassisk).
I mange (astrofysiske) situasjoner har støv en fordelingsstørrelse med flere små enn store partikler (vanligvis $ n \ propto r ^ {- 3.5} $ ), noe som betyr at et støvensemble har mye mer partikler som sprer korte bølgelengder (blå) enn lange bølgelengder (rød). Dermed blir blått lys filtrert ut, og rødt lys har en tendens til å overføres, og faktisk rødmer lyset.
På den annen side, hvis støvet består av partikler av samme størrelse, kan utryddelsen øke og fall med bølgelengde, som vist på figuren. For eksempel optisk lys med $ \ lambda \ simeq [0.4 \ text {-} 0.7] \, \ mu \ mathrm {m} $ , spredt av størrelsespartikler $ 0.7 \, \ mu \ mathrm {m} $ , er spredt i henhold til det oransje området i figuren - dvs. rødt lys er spredt mer effektivt enn blått lys. Den eksakte formen avhenger av sprednings brytningsindeks.
Når et foton er spredt, skjer det ikke i en helt tilfeldig retning, men følger en retningsfordeling gitt av fasefunksjonen . I Rayleigh-regimet er det en liten preferanse for spredning fremover og bakover, men for stor $ x $ er det en sterk preferanse for spredning fremover, som vist i dette diagrammet (fra disse lysbildene):
På jorden sollys spres hovedsakelig av molekyler som er mye mindre enn lysets bølgelengde, dvs. vi er i Rayleigh-regimet. Derfor har blått lys en tendens til å være spredt mye, og skape den blå himmelen. Når det blå lyset blir filtrert ut av synsfeltet (LOS) mot solen, blir lyset - hvitt til å begynne med - mer gult. Og når solen går ned, må lyset gå gjennom et tykkere lag med atmosfære, og forbedrer denne rødmende effekten og gir en rød solnedgang.
På Mars er det nesten ingen atmosfære, bare 1% av jordens. I stedet blir solens lys spredt av det fine, røde støvet som virvles opp i den (tynne) luften. Marsstøv inneholder hematitt ( $ \ alpha \ text {-} \ mathrm {Fe} _2 \ mathrm {O} _3 $ ), mineral ansvarlig for Mars ’røde farge. Dette jernoksydet har en veldig bølgelengdeavhengig brytningsindeks, og kornstørrelsene ligger ganske tett rundt noen få $ \ mu \ mathrm {m} $ , og sprer rødt lys mer enn blå som i det (ideelle) eksemplet gitt ovenfor (f.eks. Ockert-Bell et al. 1997; Lane et al. 1999). Dette har ingenting å gjøre med det faktum at støvet er rødt, men er bare en konsekvens av størrelsen på partiklene.
Derfor er det i dette tilfellet det røde lyset som blir filtrert bort, slik at solen ser blå ut, spesielt når den går ned.
Den uvanlige størrelsesfordelingen av støvpartiklene beskrevet ovenfor er årsaken til blå skive av solen, men kan ikke forklare den blå glorie rundt den ( Ehlers et al. 2014). Dette spektakulære fenomenet er forårsaket av forskjellen i fasefunksjonen beskrevet ovenfor: Mens Rayleigh-spredning er ganske isotrop, har Mie-spredning en tendens til å spre seg i fremoverretningen, og spesielt Martian-støv har en stor asymmetri-parameter (f.eks. Vincendon et al. 2007), som betyr at lyset som er spredt har en preferanse for å bli spredt langs LOS, dvs. mot observatøren av solnedgangen.
Dessuten er asymmetrien parameteren er avhengig av lysets bølgelengde, med fremover spredning av blått lys som er mye mer uttalt enn for rødt lys, som vist i denne figuren:
Sannsynlighet for spredning i en gitt vinkel for blått lys (425 nm, venstre) og rødt lys (694 nm, høyre). De tre linjetypene tilsvarer forskjellige modeller (fra Ehlers et al. (2014)).
Derfor har det røde lyset en større tendens til å bli spredt ut av LOS, noe som skaper den rødlige himmelen.
Jeg lovet et pent bilde. Her er en mars solnedgang:
Kreditt: NASA / JPL-Caltech / Texas A&M / Cornell
I sjeldne tilfeller kan aerosoler i jordens atmosfære få solen og månen til å fremstå som blå. Da vulkanen Krakatoa brøt ut i 1853, så månen noen steder på jorden blå ut i nesten en måned ( Aitken 1892).