矩陣星

2019年10月12日，在近幾十年來最強的超級臺風(fēng)“海貝思”（Hagibis）登陸前，日本京都等部分地區(qū)上空出現(xiàn)了壯觀的景象：整個天空被染成了鮮艷的粉紫色，在濃云密布的映襯下，詭譎的畫面宛若動畫場景中的“魔界”。網(wǎng)友在拍照記錄這一奇景的同時，也對超級臺風(fēng)可能造成的巨大損失充滿了憂慮。

事實上，此次在日本出現(xiàn)的紫色天空現(xiàn)象1個月前也曾在美國出現(xiàn)過。9月，在颶風(fēng)多利安（Dorian）侵襲后，美國佛羅里達州的上空也呈現(xiàn)出濃烈的紫色，人們紛紛在社交媒體上對這一奇特的現(xiàn)象表示驚嘆。再往前追溯l年，同樣是在佛羅里達州，颶風(fēng)邁克爾（Michael）登陸后也留下了紫色控這一壯麗的場景。

盡管海貝思等臺風(fēng)到來時將天空染成紫色，但這一奇景并不一定意味著災(zāi)害的降臨。2018年1月，在新西蘭奧克蘭也有人記錄下了類似的景象，而除了空氣非常潮濕以外，沒有極端的氣象災(zāi)害在隨后被觀測到。

紫色天空的出現(xiàn)自然不是所謂的“魔界降臨”，我們可以運用光學(xué)原理對這一現(xiàn)象進行科學(xué)解釋。不妨先問一個問題：晴空萬里的日子，天空為什么是藍色的？

晴朗天空為什么是藍色的？夕陽為什么是紅色的？

我們平常看到的太陽光由不同波長的單色光混合而成，其中人類肉眼能感知到的可見光按順序主要由紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫7種顏色組成，從紅光到紫光，波長依次遞減，紅光波長最長，紫光波長最短。

而晴朗天空的藍色，與一種叫瑞利散射的現(xiàn)象息息相關(guān)。100多年前，英國物理學(xué)家瑞利在研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光散射到尺寸遠小于波長的微粒上時，波長越長，散射光的強度越弱。紫光的散射能力最強，紅光則最弱。

天氣晴朗、萬里無云的情況下，空氣中固體顆粒等大直徑的雜質(zhì)很少，對光線造成的阻礙很小，太陽光主要與空氣中的氮、氧分子等微小粒子發(fā)生散射，波長較長的紅光等散射較少，而藍紫色光成為散射的主要對象。

既然如此，為什么晴朗天空沒有呈現(xiàn)出紫色呢？這與人眼的結(jié)構(gòu)有關(guān)。經(jīng)過長期的生物進化，人眼對于太陽光能量最為集中的波段最為敏感，對可見光中能量較低的紫光的敏感度排在最后。最終，太陽光的瑞利散射與人眼的敏感程度兩大因素，決定了我們平時看到的澄澈天空是藍色的。

然而，日出日落之時，天空往往被太陽光染成紅色或者橙色，這又是因為什么原理呢？

與晴朗天空的情景不同，晨曦與夕陽的色彩主要是由色光穿透能力的差異決定的。中午時分，太陽光穿透的大氣層較薄，藍紫光在透過大氣層的路程中散射相對較少。而在日出或日落時，太陽接近地平線，太陽光需要經(jīng)過較厚的大氣層才能到達地面，導(dǎo)致穿透能力弱的藍紫色光因散射消耗較多而難以觀察到，穿透能力強的紅光則基本成功走過了這段漫長的旅途，最終使得日出與日落表現(xiàn)出紅黃相間的色彩。

臺風(fēng)來臨后天空為何是紫色的？

理解了晴朗天空的藍色與日出日落的紅色的原因后，臺風(fēng)到來后的紫色天空又該如何解釋呢？

對于在颶風(fēng)邁克爾登陸后出現(xiàn)的紫色天空，有的解釋將其歸因于在空氣中發(fā)生瑞利散射但沒有顯露出的紫色波長光。然而可見光中的紫色波段成分較少，不太可能會在天空中顯現(xiàn)出如此強烈的色彩。

英國氣象學(xué)家BBC天氣節(jié)目主持人薩拉.基斯一盧卡斯（SarahKeith-Lucas）給出了不一樣的答案。紫色天空的天象一般在落日時分出現(xiàn)，而除了太陽光散射外，夕陽的顏色還會受到灰塵、水滴、云層等因素影響。臺風(fēng)帶來豐沛的水汽，透射而過的紅光照亮云層底部，疊加在深藍色天空上，最終呈現(xiàn)出紫色。

在薩拉的解釋中，天空的紫色并非由可見光的紫色波段光表現(xiàn)出來，而是紅光與藍光的混合，在人的視覺中最終變成紫色。天空背景的藍色來源于太陽光的瑞利散射，而光線穿透大氣層后留”下的主要是紅色光，紫色是由二者混合而成。

相比于紫色波長光的說法，薩拉的解釋更為合理，不過臺風(fēng)到來前后，大氣條件較為復(fù)雜，云層對光線的散射與折射會對現(xiàn)象的產(chǎn)生造成較大影響，紅光與藍光的混合暫時只是對紫色天空簡單的初步解釋，有待更為專業(yè)的研究。

火山爆發(fā)導(dǎo)致的紫色天空現(xiàn)象

臺風(fēng)帶來紫色天空的原因也許沒有定論，但在其他情景下出現(xiàn)的類似現(xiàn)象可以作為參考。2019年6月，俄羅斯雷科克（Raikoke）火山爆發(fā)，產(chǎn)生的火山灰和硫磺氣體噴射到大氣層中，在一些國家也造成了紫色天空的現(xiàn)象。無獨有偶，1991年6月，菲律賓的皮納圖博（Pinatubo）火山爆發(fā)后，美國的部分地區(qū)也在日落時出現(xiàn)了紫色余暉。

對于這種被稱為“火山薰衣草色”的現(xiàn)象，美國國家氣象局的氣象學(xué)家史蒂芬.克爾菲迪（StephenCorfidi）作出了科學(xué)解釋。火山爆發(fā)后，產(chǎn)生的大直徑顆粒（如灰塵、硫酸液滴等）滯留在大氣層，形成一種名為氣溶膠的大氣體系。氣溶膠體系能對太陽光中的藍色波段產(chǎn)生強烈散射，落日時分的紅色光輝在深藍色的背景下，在視覺上便形成紫紅色的晚霞。這與之前薩拉對紫色天空的解釋是類似的。

以下示意圖作出了更形象的展示。日落時分，在低角度照射的條件下，穿透大氣層而進人人視線的太陽光以紅、橙、黃光為主。藍光在光線長距離傳播中被散射，這一過程主要發(fā)生在海拔較高的平流層等區(qū)域，強烈的紅光加上較遠的距離，使得人眼難以觀察到藍色的背景。

然而，火山爆發(fā)將火山灰、含硫顆粒等物質(zhì)噴射到平流層后，顆粒物形成的氣溶膠體系對藍光的散射非常強烈，使得天空呈現(xiàn)出深藍色背景。穿透大氣層的紅光與天空的藍色背景在一定條件下混合，最終產(chǎn)生紫色天空的現(xiàn)象。

大型火山爆發(fā)將大量的火山灰等雜質(zhì)噴射到大氣層中，往往會帶來奇異的天象，紫色天空只是其中的一種。1883年印度尼西亞的喀拉喀托（Krakatau）火山大爆發(fā)是人類史上最大的火山噴發(fā)之一，這次噴發(fā)及其引發(fā)的海嘯摧毀了數(shù)百個村莊和城市，造成數(shù)萬人死亡?；鹕綄?000萬噸含硫物質(zhì)噴射到大氣層中，把全球眾多地區(qū)的日落染成極為艷麗的橙紅色，著名畫家愛德華.蒙克（EdvardMunch）舉世聞名的畫作《吶喊》的紅色天空背景被認為受到了這一現(xiàn)象的啟發(fā)。

紫色天空的成因需要根據(jù)當(dāng)?shù)鼐唧w的大氣狀況進行分析，背后隱藏著復(fù)雜的物理光學(xué)原理。陰晴無常、變幻莫測的大氣現(xiàn)象，蘊含著無窮的奧秘，等待我們發(fā)現(xiàn)一只不過，這些奧秘和魔界降臨沒什么關(guān)系。