然而，被你忽略的空氣，曾是列奧納多·達(dá)·芬奇（Leonardo Da Vinci，1452-1519）樂此不疲的研究對象。
我們先來仔細(xì)觀察達(dá)·芬奇這兩幅畫里的山水景，為什么在風(fēng)景中遠(yuǎn)處山的輪廓越來越模糊而且顏色越變越藍(lán)呢？
左：《圣母、圣子與圣安妮》，右：《紡車邊的圣母》。│ 圖片來源：左見水印，右Wikipedia
達(dá)·芬奇在探索大自然時(shí)，敏銳地觀察到肉眼與景物之間的介質(zhì)-大氣-并非是透明的，其效果是使離視點(diǎn)遠(yuǎn)的物體的形體輪廓變模糊，明暗對比和色彩冷暖對比變?nèi)酰^近強(qiáng)遠(yuǎn)弱，近暖遠(yuǎn)冷，近濃遠(yuǎn)淡。而且，遠(yuǎn)的物體會漸變成背景的顏色。
所以，問題的答案就是：
首先，我們每時(shí)每刻呼吸的空氣是由各種氣體組成的混合物，是保護(hù)地球的大氣層的主要成分。如以體積比表示，干燥空氣的主要成分以及含量為：氮（N2）78%、氧（O2）21%、氬（Ar）0.94%、二氧化碳（CO2）略高于萬分之三。其他氣體極少，有氦（He）、甲烷（CH₄）、臭氧（O3）等。除了這些，彌漫在大氣中的還有水蒸氣和懸浮顆粒物（SPM suspended particulate matter，包括塵土、煙灰和煙塵）。
以體積比表示干燥空氣的成分。強(qiáng)調(diào)三遍：不包括水蒸氣。水蒸氣的含量根據(jù)空氣蒸發(fā)量和溫度的不同，也就是說因地區(qū)和氣候而異。│ 圖片來源：知乎網(wǎng)
其次，我們知道太陽光看似白色，其實(shí)是由不同波長的電磁波組成的，太陽光99.9%的能量集中在紅外區(qū)、可見光區(qū)和紫外區(qū)。其中可見光區(qū)尤為顯著，波長范圍在400 ～ 770 納米之間。波長不同的電磁波，引起人眼的顏色感覺不同，比如770 ～ 620 納米，感覺為紅色； 490～460 納米，藍(lán)靛色。
不同波長的電磁輻射。人眼能感知的只有一小部分，我們稱之為‘可見光’。電磁波譜圖比蒙娜麗莎肖像還有名，你肯定見過。│ 圖片來源：http://snowyying.site
那么，納米是什么概念？1納米（nm）非常小，是1米（m）的十億分之一。相比之下，我們細(xì)細(xì)的頭發(fā)的直徑約60 000 ～ 90 000納米。。
相比之下，人類細(xì)細(xì)的頭發(fā)的直徑約60 000 ～ 90 000納米。
當(dāng)陽光照射到物體表面時(shí)，會發(fā)生不同的物理現(xiàn)象，如吸收、反射、散射等。一個(gè)均勻不透明的物體被照射時(shí)，一部分特定波長的光會被它吸收，其它波長的光則會被反射出去，反射出的光和人眼的生理機(jī)制決定了物體的顏色。
一個(gè)均勻不透明的物體，如紅蘋果，被陽光照射時(shí)，其它波長的光被它吸收，反射出的顏色和人眼的生理機(jī)制決定了蘋果的紅色。│ 圖片來源：網(wǎng)絡(luò)
散射，是光通過不均勻介質(zhì)時(shí)發(fā)生的光傳播方向改變，擴(kuò)散至四面八方的現(xiàn)象。散射和入射光的波長，介質(zhì)的大小、形狀、折射率有關(guān)。為簡單起見，我們來想像一個(gè)均勻球狀粒子的介質(zhì)，如它的半徑為r，入射光波長為λ，那么我們定尺度數(shù)x為：
當(dāng) x << 1，也就是說當(dāng)粒子的尺度遠(yuǎn)小于入射光波長，就會發(fā)生瑞利散射（Rayleigh scattering，由英國物理學(xué)家瑞利勛爵于1900年提出）：光被擴(kuò)散至各個(gè)方向的強(qiáng)度不一致，該強(qiáng)度與光波長的4次方成反比。所以，波長越短的光，如藍(lán)紫光，散射能力越強(qiáng)；而波長越長的光，如紅光，則相反。我們看見天空是藍(lán)色的就是因?yàn)榭諝夥肿樱ㄏ胂袼鼈優(yōu)樾⌒〉木鶆蚯驙盍Ｗ樱┑牧奖汝柟獠ㄩL小很多。它們向四面八方散射藍(lán)紫光，因大氣中某些成分會吸收紫光，而且人眼對紫光不敏感，所以看到的便是藍(lán)色的天空。
一束白色的陽光（白色箭頭）被大氣中的空氣分子（黑點(diǎn)）散射。因?yàn)榭諝夥肿颖汝柟獠ㄩL小很多，所以陽光中波長短的藍(lán)光散射能力比波長長的紅光更強(qiáng)，被散射至各個(gè)方向，人眼看到的天空便是藍(lán)色的。│ 圖片來源： University of Arizona, hydrology & atmospheric sciences
因此當(dāng)你在深山欣賞風(fēng)景時(shí)，悄悄地觸碰你的眼角膜的不止是山表面反射的光，還有空氣分子散射的光。距離越遠(yuǎn)，介于你和山巒之間的空氣分子越多，能到達(dá)眼睛的散射的光便越多，直到覆蓋反射的光。
當(dāng)你觀看近處的山時(shí)，你所感知的是山表面反射的光（綠棕箭頭）。而觀看比較遠(yuǎn)的山時(shí)，感知的不止是山表面反射的光，還有空氣分子散射至四周的藍(lán)光（藍(lán)色箭頭）；距離更遠(yuǎn)的山，介于你和山之間的空氣分子更多，散射的藍(lán)光幾乎覆蓋了反射的光，因此你看到的便是藍(lán)色的山。 │ 圖片來源： University of Arizona, hydrology & atmospheric sciences
此外，當(dāng)空中有霧或薄云時(shí)，也就是水蒸氣遇冷凝結(jié)后飄浮在空中的小水點(diǎn)，因?yàn)樗伪瓤梢姽獠ㄩL大的多，所以不同波長的光一視同仁地被散射，所有光組合起來便又是白色。
還有，前面提到大氣中的懸浮顆粒物（SPM），自然界中由火山爆發(fā)、風(fēng)和沙塵暴等產(chǎn)生。這些顆粒物的粒徑是可見光波長量級或比后者大，如果在大氣中存在較多，陽光一定范圍的長短波都會被同樣的散射，使能見度降低，人眼看到的就是一片白茫茫的景象。這種沒有選擇性的散射，發(fā)生的條件是0.1 < x < 50，通常被稱為米氏散射（Mie scattering，由德國物理學(xué)家古斯塔夫·米于1908年提出）。
而當(dāng) x > 50，就不能再以散射模型來研究，所以這里就不談了。
達(dá)·芬奇早在他那個(gè)時(shí)代，就以生理和物理光學(xué)的角度研究大氣對人眼看到的遠(yuǎn)景的影響，并且結(jié)合了許多對大自然的觀察。在他的繪畫手稿中，他首次提出了‘大氣透視’（atmospheric perspective）的概念。這個(gè)概念被他運(yùn)用到作畫中，使他筆下的景物栩栩如生，看了讓你身臨其境，好像沉浸在與你一同呼吸的大自然里。
但是，如果達(dá)·芬奇穿越到現(xiàn)代，估計(jì)他能畫的景色，只剩白茫茫的一片。因?yàn)楝F(xiàn)代人類社會的發(fā)展造成了大量污染氣體和塵粒的釋放：
- 家用燃燒裝置和機(jī)動車燃料燃燒排放的尾氣；
- 木材、煤和石油燃燒釋放的煤灰；
- 火力發(fā)電站、石棉廠、冶金業(yè)、玻璃業(yè)、陶瓷等工業(yè)生產(chǎn)排放的廢物；
- 水泥、建材等行業(yè)制造的各種顆粒狀物質(zhì)。
影響人們最多的污染物主要由兩種顆粒物組成：粗顆粒物（PM10，粒徑小于10微米）和細(xì)顆粒物（PM2.5，粒徑小于或等于2.5微米）。這些顆粒物大大降低了能見度，不僅會惡化生態(tài)環(huán)境，還會危害人體健康，引起包括中風(fēng)、心臟病、肺病以及呼吸道疾病和感染。世界衛(wèi)生組織估計(jì)，全球十分之九的人呼吸被污染的空氣，每年因空氣污染造成的死亡人數(shù)達(dá)到700萬人。
不過，近期受新型冠狀病毒大流行的影響，全球許多地區(qū)政府效仿中國實(shí)施了隔離措施，人類活動的停歇使空氣污染程度顯著下降。根據(jù)美國國家航空航天局（NASA）的 Aura衛(wèi)星臭氧監(jiān)測儀器的數(shù)據(jù)顯示，與2015年至2019年3-4月的污染氣體二氧化氮（NO2,主要來源交通和發(fā)電站的排放）的濃度平均值相比，2020年3-4月美國西南部的空氣污染明顯下降了40%，類似于此前新冠疫情封鎖期間中國和意大利的空氣質(zhì)量的改善。另外，歐洲環(huán)境署（EEA）預(yù)測，PM10 和PM2.5的濃度水平也應(yīng)該減少了，不過這兩者的來源比較廣泛，所以相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析會更加復(fù)雜。
美國西南部二氧化氮（NO2）濃度平均值對比（以分子柱密度molecules/cm2為單位），左：3月15號至4月15號（2015-2019年），右： 3月15至4月15號平均值（2020年）。│ 圖片來源：NASA Air Quality
試想一下，萬一這些污染氣體和塵粒取代了潔凈的空氣，變成大氣的主要成分，地球?qū)窃趺礃拥模?/p>
4月22日剛剛過去，那一天是世界地球日的重要紀(jì)念日。往年全球各地會進(jìn)行紀(jì)念活動，以展示全民對環(huán)境保護(hù)的支持。今年，第50周年，肆虐了世界大部分地區(qū)的新冠病毒大流行帶來了空氣質(zhì)量暫時(shí)性的改善，也提供了我們更多反思和檢討的空間。這次疫情過后，各國將逐漸復(fù)工復(fù)產(chǎn)，但是我們每一個(gè)人是否會更深切地意識到，我們需要采取更多的環(huán)保行動，來共同促進(jìn)全人類與自然環(huán)境的和諧。
參考資料：
https://www.un.org/zh/sustainability/airpollution/importantfacts.shtml
https://www.who.int/topics/air_pollution/zh/
https://airquality.gsfc.nasa.gov
作者：郭蘇菲（郭 Sofia），E-Mail：sofia.guo17@gmail.com
責(zé)編：微科普