火星的落日為什麼是藍色的？

剛看新聞美國好奇號拍到了火星藍色落日，感覺匪夷所思！新聞里說之所以火星落日是藍色的，是因為紅色在火星大氣散射掉了。想不明白這個問題，按常理來說紅色波長比較長，穿透力強，所以應該是波長短的藍色光被散射，看到的應該是紅色落日才對。為什麼火星落日是藍色的？難道與火星大氣分子結構有關係嗎？

• 銳利散射（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，行為由銳利散射描述，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。

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看到有評論提到了沙塵暴。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。