每逢万里无云的晴春佳日，那蔚蓝无垠的浩空真令人心旷神怡；而每逢晴日黄昏来临，天空中又会铺满绚丽夺目的赤橙色晚霞（去年冬季，晚霞景观尤为壮丽迷人）。

试问，你是否曾探索过这种天空颜色变幻的物理根由？若你矢志研究气候系统的奥秘，则先行揭开天空色彩变幻之谜是一个关键起步。

其实，太空本是黑暗无光因而也就绝无各种颜色可言的茫茫世界。置身太空的宇航员们除直接正对某处光源观视之外，是绝对看不到任何其它光色的。这是因为宇宙空间基本上是一个真空世界：实际上不存在任何能反射光能的粒子和分子。而地球周围的大气层则不同：大气层中充满了各种气体分子，它们既可吸收波能又可反射波能，但其作用波能仅限于电磁波谱可见光部分之外的波长范围，我们在大气层中所看到的各种天空颜色——蓝色的晴空、红色的朝霞和晚霞、白色的云团——都是由于大气层中各种分子和粒子与光能交互作用的结果。这种交互作用通常被称为散射。

当河面上的水波流经一阻挡石块时会朝不同方向散射开。同理，当太阳光能射到一气体分子上时也会发生此类散射作用。散射程度的大小及散射方向取决于阻波障碍物和受阻波的波长等相关尺寸。组成大气层的大部分分子尺寸要比可见光波长小几个数量级。同河中的芦苇及石块阻挡水波而发生的散射现象相对比，大气层中小小分子微粒阻挡波能后所产生的散射，其程度甚微。然而，同样的大气粒子与不同波长的波束作用后产生的散射尺度不尽相同：即波长越短的波束作用后产生的相对散射尺度越长。因而，较短波长的蓝光实际被散射的程度要大于较长波长的红光。这样就解释清楚了天空看起来为何是蓝色的这一物理现象：你看到的蓝色其实就是被散射的蓝光。这种物理现象是由19世纪英国物理学家Rayleigh scattering解释清楚的，因而英语“散射”这个词汇即以他的名字scattering命名。

天空中的白云之所以呈现白色，其物理机制为：云中微滴尺度大大超过入射太阳光谱中各可视波长，因而它们便均等程度地散射各可视波长的太阳光谱，结果呈现出融合的白色

至于朝霞和晚霞显现出的火红色，事实上并非散射光的颜色，而是太阳光穿越更厚的大气层（因早晨和傍晚太阳距我们较远），其光谱中更多的低波长光中途被散射掉，结果距我们较近处仅剩下波长较长的红、橙光所致。大气层中存在的小微粒，例如硫酸盐微粒，能增强散射程度。这类微粒的尺度大都小于可见光波长，因而其作用产生的散射主要是波长较短的蓝光部分。火山喷发（例如去年菲律宾群岛的Pinatubo山发生的火山喷发）可向大气层中喷入大量的上述微粒，这也可能是去年冬季期间黄昏晚霞色彩绚丽的原因所在。

散射与气候间有何联系？欲清其理须先明一事：即大约有三分之一的太阳能未被大气层或地球表面吸收，而是中途就被反射回宇宙太空。实际上这种能量的“丢失”，其部分原因在于云层中微粒及地球表面将一些太阳光能反射回了宇宙，但更主要原因则在于太阳光入射地球的途中发生了大量散射待厉而将能量损失掉了。由此看来，天空颜色、散射、太阳能损耗这三者间存在着相互制约的内在联系。换句话说，天空颜色变化对气候研究工作至关重要，因为该变化是气候规律的直接、可视反应。

散射量大小的变化可以多种方式出现。众所周知，在过去200年中，人类活动已导致了大气层中二氧化碳浓度增加三分之一左右。在1800年之前，大气层分子浓度为260/百万。但是人类进展引起的大气层分子浓度增量仅为0.0001%以下，而因大气层中其它气体成分的增加引起的大气分子总量变化也微不足道。另外科学家们还从海平面气压（可作为大气层分子数量的标志器）变化这一角度旁证了数百万年来大气层分子数量没有大的改变。因而可以说，由分子散射总量的变化所导致的地球气候变迁，应该是不可能的。

然而，大气层中各种微粒和云层中各种微滴的浓度是在动态性很强地变化着的。云与气候间存在着内在联系已为人所共知，尽管这种联系机制现在仍处于积极争论中。例如有一点是很清楚的，即云量增加，结果会导致反射和散射作用也增加，最终引起到达地球表面的太阳辐射能量减少。当然，云量增加还会引起“温室效应”的增强等其它问题。另外值得一提的是，分子散射作用有时会在局部区域发生变化，因为水蒸气压力的改变有时能使大气层中分子数量增加2~3%。若此种局部变化程度达10%，便会导致散射量变化达0.1%，此数量级对地球接收太阳能来说，影响虽小，但绝非微不足道。

大气层中微粒浓度在时间和空间两方面都处于动态变化中。科学家们还发现在陆地和海洋上空的大气层中含有许多尺度更小的微粒（在陆空中所含小微粒的数量要多于海空中），这主要起因于以下诸要素：1. 火山爆发产生数以百万吨计的微粒进入大气层甚至大气同温层。2. 燃火及工厂排烟使陆地上空浓度本已很高的粒子含量更趋浓重。3. 此外，自然和人造的各种气体所发生的化学反应也会产生各种粒子，例如硫酸盐。所有不同种类、不同尺度的粒子都程度不同地影响着气候，它们不仅对云、雨等的形成是必不可少的组成要素，而且还对射至地球的太阳能量予以散射。

气候预测领域的难题在于，如何才能用大气、海洋、陆地的物理和化学特性去解释各不同类型气候的复杂交互作用，例如降水、温度、气流流通等问题。尽管某人类活动对气候的影响在全球范围内程度趋于一致（这是因为大气环流迅速疏通均化的结果），但另外许多人类活动对气候的影响却具有局部地域性。目前主要工业排废大都集中在北美、欧洲、欧亚大陆范围内。近期大气层粒子浓度的变化很可能就足以反映出这种“局部”倾向。据科学家预料，随之而来的气候变化将是这样一种模式：大气粒子浓度增大→对太阳能的散射量增大→太阳辐射到地球上的有效能量减少以及大气云量增加。尽管目前仍存在着关于北半球陆地上空大气粒子浓度过多的争论，但人们还注意到了另一面：即由此引起的太阳能有效辐射量减少实际上可能会减轻“温室气体”的产生，从而遏制“全球气温变暖”之不良后果。否则，我们将不得不借助减少工业排放之手段来达到减轻“温室气体”产生、遏制“全球气温变暖”之同一目的，其付出的代价令人再思！

[The Geographical Magazine，1992年4月]