气质有多重要?让达·芬奇告诉你

发表时间:2020-05-06 13:43:36来源:微科普作者:郭苏菲原创保护:权威认证:
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提到空气,你会想到什么?也许是因为它无处不在,所以从来没有引起过你的注意。

然而,被你忽略的空气,曾是列奥纳多·达·芬奇(Leonardo Da Vinci,1452-1519)乐此不疲的研究对象。

我们先来仔细观察达·芬奇这两幅画里的山水景,为什么在风景中远处山的轮廓越来越模糊而且颜色越变越蓝呢?

气质有多重要?让达·芬奇告诉你

左:《圣母、圣子与圣安妮》,右:《纺车边的圣母》。│ 图片来源:左见水印,右Wikipedia

达·芬奇在探索大自然时,敏锐地观察到肉眼与景物之间的介质-大气-并非是透明的,其效果是使离视点远的物体的形体轮廓变模糊,明暗对比和色彩冷暖对比变弱,所谓近强远弱,近暖远冷,近浓远淡。而且,远的物体会渐变成背景的颜色。

所以,问题的答案就是:

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首先,我们每时每刻呼吸的空气是由各种气体组成的混合物,是保护地球的大气层的主要成分。如以体积比表示,干燥空气的主要成分以及含量为:氮(N2)78%、氧(O2)21%、氩(Ar)0.94%、二氧化碳(CO2)略高于万分之三。其他气体极少,有氦(He)、甲烷(CH₄)、臭氧(O3)等。除了这些,弥漫在大气中的还有水蒸气和悬浮颗粒物(SPM suspended particulate matter,包括尘土、烟灰和烟尘)。

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以体积比表示干燥空气的成分。强调三遍:不包括水蒸气。水蒸气的含量根据空气蒸发量和温度的不同,也就是说因地区和气候而异。│ 图片来源:知乎网

其次,我们知道太阳光看似白色,其实是由不同波长的电磁波组成的,太阳光99.9%的能量集中在红外区、可见光区和紫外区。其中可见光区尤为显著,波长范围在400 ~ 770 纳米之间。波长不同的电磁波,引起人眼的颜色感觉不同,比如770 ~ 620 纳米,感觉为红色; 490~460 纳米,蓝靛色。

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不同波长的电磁辐射。人眼能感知的只有一小部分,我们称之为‘可见光’。电磁波谱图比蒙娜丽莎肖像还有名,你肯定见过。│ 图片来源:http://snowyying.site

那么,纳米是什么概念?1纳米(nm)非常小,是1米(m)的十亿分之一。相比之下,我们细细的头发的直径约60 000 ~ 90 000纳米。。

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相比之下,人类细细的头发的直径约60 000 ~ 90 000纳米。

当阳光照射到物体表面时,会发生不同的物理现象,如吸收、反射、散射等。一个均匀不透明的物体被照射时,一部分特定波长的光会被它吸收,其它波长的光则会被反射出去,反射出的光和人眼的生理机制决定了物体的颜色。

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一个均匀不透明的物体,如红苹果,被阳光照射时,其它波长的光被它吸收,反射出的颜色和人眼的生理机制决定了苹果的红色。│ 图片来源:网络

散射,是光通过不均匀介质时发生的光传播方向改变,扩散至四面八方的现象。散射和入射光的波长,介质的大小、形状、折射率有关。为简单起见,我们来想像一个均匀球状粒子的介质,如它的半径为r,入射光波长为λ,那么我们定尺度数x为:

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当 x << 1,也就是说当粒子的尺度远小于入射光波长,就会发生瑞利散射(Rayleigh scattering,由英国物理学家瑞利勋爵于1900年提出):光被扩散至各个方向的强度不一致,该强度与光波长的4次方成反比。所以,波长越短的光,如蓝紫光,散射能力越强;而波长越长的光,如红光,则相反。我们看见天空是蓝色的就是因为空气分子(想像它们为小小的均匀球状粒子)的粒径比阳光波长小很多。它们向四面八方散射蓝紫光,因大气中某些成分会吸收紫光,而且人眼对紫光不敏感,所以看到的便是蓝色的天空。

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一束白色的阳光(白色箭头)被大气中的空气分子(黑点)散射。因为空气分子比阳光波长小很多,所以阳光中波长短的蓝光散射能力比波长长的红光更强,被散射至各个方向,人眼看到的天空便是蓝色的。│ 图片来源: University of Arizona, hydrology & atmospheric sciences

因此当你在深山欣赏风景时,悄悄地触碰你的眼角膜的不止是山表面反射的光,还有空气分子散射的光。距离越远,介于你和山峦之间的空气分子越多,能到达眼睛的散射的光便越多,直到覆盖反射的光。

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当你观看近处的山时,你所感知的是山表面反射的光(绿棕箭头)。而观看比较远的山时,感知的不止是山表面反射的光,还有空气分子散射至四周的蓝光(蓝色箭头);距离更远的山,介于你和山之间的空气分子更多,散射的蓝光几乎覆盖了反射的光,因此你看到的便是蓝色的山。 │ 图片来源: University of Arizona, hydrology & atmospheric sciences

此外,当空中有雾或薄云时,也就是水蒸气遇冷凝结后飘浮在空中的小水点,因为水滴比可见光波长大的多,所以不同波长的光一视同仁地被散射,所有光组合起来便又是白色。

还有,前面提到大气中的悬浮颗粒物(SPM),自然界中由火山爆发、风和沙尘暴等产生。这些颗粒物的粒径是可见光波长量级或比后者大,如果在大气中存在较多,阳光一定范围的长短波都会被同样的散射,使能见度降低,人眼看到的就是一片白茫茫的景象。这种没有选择性的散射,发生的条件是0.1 < x < 50,通常被称为米氏散射(Mie scattering,由德国物理学家古斯塔夫·米于1908年提出)。

而当 x > 50,就不能再以散射模型来研究,所以这里就不谈了。

达·芬奇早在他那个时代,就以生理和物理光学的角度研究大气对人眼看到的远景的影响,并且结合了许多对大自然的观察。在他的绘画手稿中,他首次提出了‘大气透视’(atmospheric perspective)的概念。这个概念被他运用到作画中,使他笔下的景物栩栩如生,看了让你身临其境,好像沉浸在与你一同呼吸的大自然里。

但是,如果达·芬奇穿越到现代,估计他能画的景色,只剩白茫茫的一片。因为现代人类社会的发展造成了大量污染气体和尘粒的释放:

  • 家用燃烧装置和机动车燃料燃烧排放的尾气;
  • 木材、煤和石油燃烧释放的煤灰;
  • 火力发电站、石棉厂、冶金业、玻璃业、陶瓷等工业生产排放的废物;
  • 水泥、建材等行业制造的各种颗粒状物质。

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影响人们最多的污染物主要由两种颗粒物组成:粗颗粒物(PM10,粒径小于10微米)和细颗粒物(PM2.5,粒径小于或等于2.5微米)。这些颗粒物大大降低了能见度,不仅会恶化生态环境,还会危害人体健康,引起包括中风、心脏病、肺病以及呼吸道疾病和感染。世界卫生组织估计,全球十分之九的人呼吸被污染的空气,每年因空气污染造成的死亡人数达到700万人。

不过,近期受新型冠状病毒大流行的影响,全球许多地区政府效仿中国实施了隔离措施,人类活动的停歇使空气污染程度显著下降。根据美国国家航空航天局(NASA)的 Aura卫星臭氧监测仪器的数据显示,与2015年至2019年3-4月的污染气体二氧化氮(NO2,主要来源交通和发电站的排放)的浓度平均值相比,2020年3-4月美国西南部的空气污染明显下降了40%,类似于此前新冠疫情封锁期间中国和意大利的空气质量的改善。另外,欧洲环境署(EEA)预测,PM10 和PM2.5的浓度水平也应该减少了,不过这两者的来源比较广泛,所以相应的数据分析会更加复杂。

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美国西南部二氧化氮(NO2)浓度平均值对比(以分子柱密度molecules/cm2为单位),左:3月15号至4月15号(2015-2019年),右: 3月15至4月15号平均值(2020年)。│ 图片来源:NASA Air Quality

试想一下,万一这些污染气体和尘粒取代了洁净的空气,变成大气的主要成分,地球将会是怎么样的?

4月22日刚刚过去,那一天是世界地球日的重要纪念日。往年全球各地会进行纪念活动,以展示全民对环境保护的支持。今年,第50周年,肆虐了世界大部分地区的新冠病毒大流行带来了空气质量暂时性的改善,也提供了我们更多反思和检讨的空间。这次疫情过后,各国将逐渐复工复产,但是我们每一个人是否会更深切地意识到,我们需要采取更多的环保行动,来共同促进全人类与自然环境的和谐。

参考资料:

https://www.un.org/zh/sustainability/airpollution/importantfacts.shtml

https://www.who.int/topics/air_pollution/zh/

https://airquality.gsfc.nasa.gov

作者:郭苏菲(郭 Sofia),E-Mail:sofia.guo17@gmail.com

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