火星上夕陽真的是藍色的嗎？

11-17

剛看《晝顏》第五集里說的。
-----
本題已收錄至知乎圓桌 ?宇宙那麼大，更多討論歡迎關注。

首先介紹兩種散射：

瑞麗散射（Rayleigh scattering）

發生在很小的顆粒上，比如大氣里的氣體分子。散射規律是與波長的四次方成反比，也就是說，對短波的散射遠強於長波。

米爾散射（mie scattering）

對應於散射顆粒尺度接近光波長的粒子。比如火星大氣里的塵埃，尺度約為3微米，對應於電磁波譜例的中紅外光。米爾散射偏向於散射跟自身大小接近的波長的光。

根據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解出的這個麥克斯韋方程組的解可以用來描述電磁波跟粒子之間的相互作用。而上述的兩種散射只是一些簡化的情況。可以從上圖中看出，不同顆粒的物質的散射在不同波長處的強烈程度是有一定的複雜性的。不過，從一個統一的角度來看，瑞麗散射也是一種特殊的Mie散射，因為瑞麗散射的顆粒非常小，因此對短波長的光散射更大。

言歸正傳，地球大氣里主要成分為氣體分子（在非沙塵天氣里），顆粒很小，行為由瑞麗散射描述，散射波長短的光子。因此，你在白天看到的天空是藍色的，因為氣體分子受到太陽光照射，散射藍光。而在火星上大氣稀薄，氣體成分不在主導散射行為，而相比之下塵埃顆粒較多，這些塵埃顆粒比較大（幾個微米的量級），散射行為由米爾散射（mie scattering）描述，散射的光子波長跟自身顆粒大小相同，因此散射紅光，這時你看到的天空的顏色是紅色。而在視線方向上，因為來自太陽的光中紅色部分被散射掉了一些，所以，你看到的光會偏藍。

不過，要補充一點的是，總體來比，因為塵埃顆粒比空氣中氣體分子的截面積大，其散射能力相比就更強。

------
看到有人提到了沙塵暴。這真是一個極好的例子。

因為地球上的沙塵暴天氣正好接近火星的情況（當然地球大氣的氣體分子也很多，所以還是有些不同，相當於Rayleigh＋mie）。我們來看看沙塵天氣的照片（圖片來自網路）：

從圖上我們可以清楚的看到，太陽和周圍的光是偏藍的，因為Mie散射的緣故。而天空的顏色是紅色的，同樣，因為塵埃散射了紅光，所謂在非太陽視線方向上天是偏紅色的。

火星上的日落，勇氣號拍攝於2005年5月19日。

火星上的日落，好奇號拍攝於2015年4月15日。

---------------------------------------

-----------
你見過最震撼的自然現象是什麼？ - Diffractioner 的回答

科學家是怎樣的人？ - Diffractioner 的回答

部分台灣人的優越感從何而來？ - Diffractioner 的回答

漢人沒有一個統一的佔主導地位的宗教信仰究竟是萬惡之源還是民族之幸？ - Diffractioner 的回答

基於 @fishbone 的評論，補充如下：

本文中所有提到的 Mie scattering 是指的 Mie theory 的大顆粒近似，也就是說顆粒遠遠大于波長的情況。火星空氣中的顆粒在微米量級，是可見光波長的幾倍，做大顆粒近似帶來的結果並不完整。因為大顆粒近似的結果是返回到幾何光學，畢竟顆粒很大，顆粒上各處的響應（respone，電磁散射的唯象解釋）不相干，導致大顆粒近似不依賴波長。

而 Rayleigh scattering 是 Mie theory 的短波長（小顆粒）近似，也就是說這時候因為顆粒很小，顆粒上各處的響應（理解為顆粒局域對於光的吸收和散射）會跟這個顆粒上其它地方的響應相干（因為顆粒比波長小），這時候就會導致散射的強弱依賴于波長。Rayleigh 散射對波長的依賴是非常敏感的，與波長的四次方成反比。也就是說，對於一個小顆粒來說，短波長的更容易散射掉，比如大氣分子對藍光的散射，導致了藍天。

如果去完整的通過 Maxwell 方程接觸球形顆粒對光的散射，也就是 Mie theory，得到的結果可以被分成三區域：大顆粒近似，小顆粒/短波長近似，以及中間部分。
電動力學是非常直觀的，通過各種極限近似我們可以知道到底發生了什麼，即便對於那些不在近似區域的，我們也大概能夠理解會有什麼發生。

這個討論跟其它討論中，比較容易混淆的是，其它的答案中的 Mie scattering 說的其實是這個答案中的 Mie theory. 而這個答案中的 Mie scattering 是說的 Mie theory 的大顆粒近似。

現在回來思考火星上沙塵的問題。下面是幾個火星大氣中散射討論：

火星大氣分子的 Rayleigh 散射，這個非常弱，因為火星大氣非常稀薄，是地球的千分之一左右，8mbar. 在這個問題裡面不起作用。
沙塵的 Mie scattering （Mie theory 大顆粒近似，這個效應的主要來源是大氣中遠遠大於可見光波長的顆粒），這個效應是與波長無關的，正如開頭所解釋的。所以這個也不能導致藍色的太陽。
火星大氣中有一些 1-2 微米的氣溶膠，沙塵等，這時候使用短波長近似（Rayleigh 散射）和大顆粒近似都不行了。完整的解決需要完整的解出 Maxwell 方程組。定性理解的話，可以理解為，因為沙塵比波長大不了多少，藍光被散射了，從而形成了太陽和周圍的藍色的區域。
與地球不同的是，在地球上，光線很容易通過大氣，火星上沙塵暴強烈的時候，對於可見光並不是很透明，散射的方向性並不是很明顯，所以藍光散射並不會導致太陽變成紅色，而周圍是藍色的情況。
火星沙塵很多鐵的氧化物，對紅光有很好想吸收作用。

&>&>&>&>&>&>&>&>&>&> 以下是原答案 &>&>&>&>&>&>&>&>&>&>&>&>&>&>

現在比較可能的有兩種解釋，一種是認為這是 Rayleigh 散射造成的，可以解釋藍色的現象。另一種解釋是，藍色日落是火星大氣中沙塵吸收造成的。

但是由於火星的大氣非常稀薄，大氣分子的 Rayleigh 散射非常弱。而火星大氣中的氣溶膠和沙塵太大，他們不能導致 Rayleigh 散射。

小編為了確認哪一種是正確的解釋，專門去諮詢了TAMU 的Mark Lemmon(因為發現他寫過多篇關於火星大氣及沙塵特性的論文並且有多項分析火星探測器視圖資料的工作)，得到了如下答覆：

Mark 的回答證實了這並非是 Rayleigh 散射造成的，原因是火星大大氣非常稀薄。而且如果這是 Rayleigh 散射，會有顏色的過渡，而不會是從藍色變到淡藍變到白色這樣的。

Mark 的解釋是，火星大氣中的 1-2 微米的氣溶膠的「衍射」效應造成的。這個大小的氣溶膠顆粒的效應會導致太陽周圍變成藍色。Mark 在這個頁面提到了火星沙塵散射紅光來解釋藍色太陽。

小編總結起來，是這樣的：

火星沙塵直徑約為 1 微米，而可見光波長在幾百納米， Rayleigh 散射發生在顆粒大小小於 1/10 波長的時候。由於顆粒直徑比紅光還要稍大，這時候 Rayleigh 散射並不會很強烈。另外由於 Mie 散射是對於所有波長等價的，所以也不會出現色彩選擇的情況。

導致了下圖中這種大片紅色天空的原因，是因為更長波長的衍射（超出了 Mie 近似和 Rayleigh 近似的）和氧化物吸收

那麼為什麼「我們」看到的太陽周圍是藍色呢？這個跟在地球上為什麼日落的太陽是紅的很相似。由於紅光被散射和吸收掉了，剩下的，大多是藍色的光，所以看起來是藍色的太陽和藍色的暈。

簡單來說，地球看到紅色日落，是因為大氣 Rayleigh 散射導致藍色的光減少，火星藍色的日落是因為沙塵散射和吸收了紅光，導致紅光減少。

&>&>&>&>&>&>&>&>&>&>&>&>&>&>&>&>&>&>&>&>&>&>&>&>&>&>&>&>&>&>&>&>&>&>&>

擴展閱讀和廣告時間：
-----------------------------
0. 更多的關於火星日落的內容（圖片和視頻），可以看我們《星海航紀》的《火星的日落》一文。
1. 星際移民中心：星際移民中心
2.星際移民中心微博
3. 星際移民中心的在線雜誌：《星海航紀》（目前開始接受投稿，要求請看此頁。）

並非題主，也有相似的問題。見過圖，確實是藍色的，但仍舊好奇原因。看了匿名用戶的答案，覺得很不滿意。明明太陽光譜在大氣邊緣（即沒有進入大氣層的情況）也是綠光最多的，為什麼火星上看到的是藍太陽？

從右往左看，800~550算紅黃光，到500算綠光，到450算藍光，再往左是紫光。不考慮大氣的話，綠光最強。但實際上因為可見光全譜不缺頻，宇航員看到的是白太陽。

然後我去搜了搜火星大氣的情況，主要成分是二氧化碳，其次是氮、氬，此外還有少量的氧和水蒸氣。跟地球大氣的差別就在於二氧化碳和氬氣的含量了。從上圖可以看出，二氧化碳的影響在紅外的部分，不管它。氬氣的吸收譜沒找到，但既然我們拿氬氣來做光譜儀，估摸著它的吸收譜應該不在可見光範圍吧。
最重要的是，火星大氣稀薄（地面壓強不到1kPa），沒道理火星大氣的太陽光譜會跟太空的太陽光譜差很多。

既然不是大氣的吸收，就只剩散射了。火星大氣中有很多粗粒塵埃，長波長的光肯定不佔優，看到的太陽不是紅黃色很正常，綠光波長稍長於藍光，大概散射也比藍光厲害吧。而紫光從圖上可以看到，本身就很弱，所以最後呈現的是藍光的顏色。
以上是我定性的粗淺分析，大概是不靠譜的。

希望有人能給出精準的回答。

解答一下

解答一下 @牧不知的問題，未必完全，還望補充
上面這張圖是CIE1931色彩空間圖，CIE（國際照明委員會）

顏色是一門很複雜的學科，它涉及到物理學、生物學、心理學和材料學等多種學科。顏色是人的大腦對物體的一種主觀感覺，用數學方法來描述這種感覺是一件很困難的事。現在已經有很多有關顏色的理論、測量技術和顏色標準，但是到目前為止，似乎還沒有一種人類感知顏色的理論被普遍接受。
RGB模型採用物理三基色，其物理意義很清楚，但它是一種與設備相關的顏色模型。每一種設備（包括人眼和現在使用的掃描儀、監視器和印表機等）使用RGB模型時都有不太相同的定義，儘管各自都工作很圓滿，而且很直觀，但不能相互通用。
為了從基色出發定義一種與設備無關的顏色模型，1931年9月國際照明委員會在英國的劍橋市召開了具有歷史意義的大會。CIE的顏色科學家們試圖在RGB模型基礎上，用數學的方法從真實的基色推導出理論的三基色，創建一個新的顏色系統，使顏料、染料和印刷等工業能夠明確指定產品的顏色。會議所取得的主要成果包含：
1、定義了標準觀察者（Standard Observer）標準：普通人眼對顏色的響應。該標準採用想像的X,Y和Z三種基色，用顏色匹配函數（color-matching function）表示。顏色匹配實驗使用2°的視野（field of view）；
2、定義了標準光源(Standard Illuminants）：用於比較顏色的光源規範；
3、定義了CIE XYZ基色系統：與RGB相關的想像的基色系統，但更適用於顏色的計算；
4、定義了CIE xyY顏色空間：一個由XYZ導出的顏色空間，它把與顏色屬性相關的x和y從與明度屬性相關的亮度Y中分離開；
5、定義了CIE色度圖(CIE chromaticity diagram）：容易看到顏色之間關係的一種圖。

這是從度娘那裡拿來的簡介，別說我懶（沒錯，我就是懶- -）
回到這張圖上，中間那條黑線被稱作普朗克軌跡，簡單地說，黑體隨著溫度的升高，所顯現的顏色是沿著這條線的，很明顯，這條線沒有經過綠色，這也就導致了我們看不到綠色的恆星
「答主，那氐宿四呢？」
「額。。這個嘛。。」
氐宿四是全天唯一可以觀測到的綠色恆星（這不是打臉了么。。別急），但實際上http://jumk.de/astronomie/special-stars/zubeneschamali.shtml從這裡可以發現，有些人看到覺得是白的，有些人覺得是綠的。我想各種原因一是如引用中所說顏色的界定涉及物理，生物，心理等各個因素，很可能因個體不同而造成結果不同，二是氐宿四的輻射中綠光成分是很重，但同時緊挨綠色的黃色和其他顏色也很重，顏色混合也會導致觀測結果的不同（Ps，黑體輻射所顯示的顏色都是混合色，各個顏色因黑體溫度不同所佔強度也不同，混出來的顏色也不同）
回到題主的問題，火星上大氣稀薄，但多的是沙塵，沙塵顆粒大，對長波的散射也很嚴重，（原本空氣中的氣體分子直徑小於可見光波長導致短波被散射的異常嚴重），據我的北京室友反應北京一到沙塵天，太陽光就會偏藍，我想大概是同理。

我上高中的時候北京經歷過幾次大的沙塵暴，其中有一次我印象深刻，風並不是很大，但是整個世界都籠罩在一層橙色中…… 課間出去玩，抬頭一看，尼瑪太陽是藍的…………

是的，我經常去火星
----------網易網友留

地球上夕陽真的是紅色的嗎

藍色的好啊。我們色盲群體就能欣賞日落了。

類似於北方沙塵暴時慘白的太陽

是的，十月二號剛回來！

為何不百度？

為何不百度？
絕大多數你想得到的問題，別人都問過了！