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議題背景：2020年8月中旬開始，美國加州提早進入野火季，在相關新聞中，又以9月9日舊金山灣區天空，因加州境內不斷有野火團持續燃燒，呈現宛如末日的橘紅色，最受到民眾的關注，且在網路上不斷轉傳照片。據此，新興科技媒體中心邀請專家解析森林大火導致天空變成橘紅色的原因。

2020年09月28日
臺灣大學物理系教授　朱士維
臺灣大學物理系碩士生 李荐軒

Q1. 為什麼森林大火會導致原本藍色的天空會變成橘紅色的呢？有新聞說是因為霧霾造成的，為什麼霧霾會讓天空變成這樣？

回答這個問題之前，我們得先了解平常所看到的天空顏色，主要受陽光穿過大氣層的散射作用影響。散射是指光子與空氣中的分子或是懸浮粒子彈性碰撞之後，改變行進方向。生活中常見的散射可概分為兩種：瑞利散射（Rayleigh scattering）和米氏散射（Mie scattering），示意圖如圖一。瑞利散射是指當光照到直徑比光波長小很多的粒子時，光會向四面八方散射，而且光的波長越短，散射強度越大（散射強度會和波長的四次方成反比）；而米氏散射是指光照到直徑跟光波長相當，或是比光波長還要大的粒子時，光主要會沿著原本行進的方向散射。但與瑞利散射不同，米氏散射的散射強度和波長並沒有固定關係。

圖一　瑞利散射與米氏散射粒子大小、光波長與散射強度關係圖[1]

圖說：圖中的橫軸是粒子直徑與波長長度的比值，縱軸是經過數據標準化後的散射強度。藍色區域是粒子直徑比波長小很多的瑞利散射，波長越短，散射越強，而且散射角度較大；黃色區域是粒子較大的米氏散射，散射強度和波長之間沒有固定關係，且大部分散射沿著陽光原本行進的方向前進。

平常的天空之所以看起來是藍色，就是受瑞利散射影響。太陽光由許多不同波長的光混合而成，當太陽光進到地球的大氣層時，就會撞擊到大氣層中的空氣分子，這些空氣分子的大小約為1奈米（1奈米＝10^-9m），比可見光的波長 小許多，因此空氣分子受到太陽光照射後，會以瑞利散射的形式重新把光散射出去（如圖一所示）。太陽光中波長較長的紅、橘光散射的強度比較弱，往外散射的光會以短波長的藍、紫光為主。再加上人眼對紫光的敏感度較低，所以我們平時看到的天空會是藍色的。

而當我們直接觀察太陽時（注意，會傷害眼睛，請勿嘗試！），會覺得太陽看起來偏黃，是因為短波長的光向外四面八方散射後，留下較長波長的光所致。也就是說，本來是白色的太陽光，經過大氣層之後，短波長的藍色散射較強，可以從天空的各個方向進到我們的眼睛，造成我們看到藍色的天空。而太陽本身因為藍色光被散射掉，因此呈現互補色，也就是黃色。

這個現象在清晨與傍晚格外明顯，因為此時太陽光斜斜射向地球，穿過的大氣層更厚、讓更多的空氣分子散射，讓較短波長的藍色到綠色光都被散射掉，使得太陽本身變成了橘紅色。有興趣的讀者可以自己用一個水箱加奶精，配合手電筒即可看到類似的現象（相關影片請參考：普通物理學 5-3 散射，時間05:02-08:01處）。從圖二，也可以看到水箱側面散射出來的光偏藍色，而穿過去的光則變成橘黃色。

圖二　白光在混有奶精的水中散射情形

有了散射的背景知識，我們可以回過頭來思考這個問題，如果森林大火產生的懸浮微粒大小和空氣分子一樣，太陽光穿過懸浮微粒就像穿過更厚的大氣層，像夕陽顏色的原理一樣讓天空看起來變成橘紅色。但事情並不是這麼簡單，因為森林大火產生的懸浮微粒大小應該遠大於空氣分子，直徑會在1微米左右（1微米=1000奈米=10^-6m）。而且根據研究，直徑在0.3微米到1微米之間的微粒能在大氣中停留最久[2]，這是由於太大的粒子容易透過碰撞、沉降離開大氣；而太小的粒子則容易透過擴散作用離開大氣。也就是說，能夠由野火區飄到舊金山灣的微粒，可能直徑在0.3微米到1微米之間，其實跟可見光波長（0.4微米到0.7微米）相當。根據圖一，在懸浮微粒與光波長相同的情況下（粒子大小/波長＝1），散射強度達到最大。這時空氣分子造成的瑞利散射和懸浮微粒造成的米氏散射要一起考慮，前者會造成短波長的藍綠光損耗，後者會加強長波長的橘紅光向前散射到達地面，才使得天空變成橘紅色。

Q2. 之前的森林大火，好像沒有嚴重到天空會變顏色，這次的森林大火有什麼特別的嗎？或是天空被遮蔽到什麼程度，才會變成橘紅色呢？

這個問題可以從兩個層面來看：懸浮微粒的多寡和懸浮微粒的大小。

我們從Q1中已經知道，森林大火之所以會讓藍色的天空變為橘紅色，是因為有許多的懸浮微粒在空氣中所造成的，如果這些懸浮微粒不夠多，就好像下午的太陽一樣，只是穿過了厚一點點的大氣層，增加多一點散射，只會讓陽光變得稍為黃一些，還不足以變成橘紅色。從這一點我們可以得知這次的森林大火應該具有一定的規模，讓散射的量夠多，才會讓整個天空都變成了橘紅色。

從歷史的角度來看，這次加州的森林大火並非規模最大，只有這次的森林大火讓天空變顏色，這跟懸浮粒子的大小有關。前文提過，空氣中的微粒會造成米氏散射，而且當微粒大小與波長相近時，會有共振增強散射的現象。據此可以推論，這次森林大火燃燒後產生的懸浮微粒大小不但足夠大，得以產生米氏散射，而且還大小剛好類似橘紅光波長，讓橘紅光被散射的程度更劇烈，才導致整個天空變成橘紅色。火燒森林產生懸浮微粒大小可能和燃燒的樹種、當地的大氣條件等有關，所以並不是每次森林大火都會讓天空看起來變成橘紅色。這現象也不太稀奇，事實上去年（2019年）夏天印尼的森林大火也有發生類似現象。

由此我們可以知道，天空會不會變成橘紅色的重點並不是天空被遮蔽多少，而是由遮蔽天空的懸浮微粒數量及大小決定。舉個不同的例子：如果爬山時穿過一層濃濃的霧，為什麼眼前的天空是一片白茫茫而不會像是橘紅色的呢？這時顯然懸浮微粒的數量已經夠多，而其白色的成因是雲霧中的水滴分子太大了（直徑約為10微米=~10^-5 m），比可見光波長更大，所產生的米氏散射強度在各種波長的光都相近，所以只會霧茫茫的一片，不會改變顏色。

（若想進一步了解瑞利散射、米氏散射與廷得耳效應，推薦參考He, G. S., Qin, H.-Y., Zheng, Q. (2009). “Rayleigh, Mie, and Tyndall scatterings of polystyrene microspheres in water: Wavelength, size, and angle dependences.” Journal of Applied Physics 105）

註釋：

[1] 圖片修改自wikiwand (2020). “Mie scattering.”Retrieval Date:2020/10/05及Hyper Physics (2016). “Blue Sky and Rayleigh Scattering.”Retrieval Date:2020/10/05.

[2] 這稱為累積模（accumulation mode）的概念，可以參考Hussein, T., Sogacheva, L. and Petäjä, T. (2018). “Accumulation and Coarse Modes Particle Concentrations during Dew Formation and Precipitation.” Aerosol Air Quality Research 18: 2929-2938.