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达·芬奇和宋代画家告诉你,世上还有散射现象

2020-06-27 10:46:42来源:

  来源:科学大院

  别动!快速回答我,现在你的眼前有什么?

  你可能会说:手机、电脑、书桌、小蛋糕。。。。。。好像还有点儿什么一时想不起来。

  这被你忽略的空气,就曾是令列奥纳多·达·芬奇(Leonardo Da Vinci,1452-1519)乐此不疲的研究对象。

  我们先来仔细观察达·芬奇这两幅画里的山水景,并思考一个问题:为什么风景中远处的山的轮廓越来越模糊,且颜色越来越接近天色呢?

《圣母、圣子与圣安妮》,1510-1513年;

《圣母、圣子与圣安妮》,1510-1513年;

《纺车边的圣母》 ,1501年

  《纺车边的圣母》 ,1501年

  达·芬奇在探索大自然时,敏锐地观察到肉眼与景物之间的介质——空气,并非是透明的,其效果是使离视点远的物体的形体轮廓变模糊,明暗对比和色彩冷暖对比变弱,所谓近强远弱,近暖远冷,近浓远淡。而且,远的物体会渐变成背景的颜色。

  所以,问题的答案就是:

图 | 科学大院

  图 | 科学大院

  气质:组成地球大气的物质

  首先,我们每时每刻呼吸的空气是由各种气体组成的混合物,是保护地球的大气层的主要成分。如以体积比表示,干燥空气的主要成分及含量为:氮(N2)78%、氧(O2)21%、氩(Ar)0.94%、二氧化碳(CO2)略高于万分之四。其他气体极少,有氦(He)、甲烷(CH4)、臭氧(O3)等。

  除了这些,弥漫在大气中与空气共存的还有水蒸气和悬浮颗粒物(SPM suspended particulate matter,包括尘土、烟灰和烟尘)。后者在自然界中由火山爆发、风和沙尘暴等产生;此外,人类社会的发展也造成了大量污染气体和尘粒的释放,比如粗颗粒物(PM10)和细颗粒物(PM2.5)。

 以体积比表示干燥空气的成分。强调:不包括水蒸气,水蒸气的含量根据空气蒸发量和温度的不同,也就是说因地区和气候而异 | 科学大院

  以体积比表示干燥空气的成分。强调:不包括水蒸气,水蒸气的含量根据空气蒸发量和温度的不同,也就是说因地区和气候而异 | 科学大院

  当阳光遇见大气:同学你挡了我的路~

  其次,我们知道太阳光看似白色,其实是由不同波长的电磁辐射组成的,辐射99.9%的能量集中在红外区、可见光区和紫外区。其中可见光区尤为显著,波长在400~770纳米之间。波长不同的电磁波,引起人眼的颜色感觉不同,比如770~620纳米,感觉为红色;490~460纳米,为蓝靛色。

不同波长的电磁辐射,人眼能感知的只有一小部分,我们称之为“可见光”,电磁波谱图比蒙娜丽莎肖像还有名,你肯定见过 | http://snowyying.site

  不同波长的电磁辐射,人眼能感知的只有一小部分,我们称之为“可见光”,电磁波谱图比蒙娜丽莎肖像还有名,你肯定见过 | http://snowyying.site

  大家都知道,1纳米(nm)非常小,是1米(m)的十亿分之一。直观点说,我们细细的头发的直径约60000~90000纳米。

  当阳光照射到物体表面时,会发生不同的物理现象,如吸收、反射、散射等。一个均匀不透明的物体被照射时,一部分特定波长的光会被它吸收,其它波长的光则会被反射出去,反射出的光和人眼的生理机制决定了我们看到的物体的颜色。

一个均匀不透明的物体,如红苹果,被阳光照射时,其它波长的光被它吸收,反射出的颜色和人眼的生理机制决定了苹果的红色 | Quora,图有改动

  一个均匀不透明的物体,如红苹果,被阳光照射时,其它波长的光被它吸收,反射出的颜色和人眼的生理机制决定了苹果的红色 | Quora,图有改动

  散射,是光通过不均匀介质时发生的光传播方向改变,扩散至四面八方的现象。散射和入射光的波长,介质的大小、形状、折射率有关。为方便理解,我们可以想象一个均匀球状粒子的介质,如它的半径为r,入射光波长为λ,那么我们定尺度数χ为:

  当χ<<1,也就是说当粒子的尺度远小于入射光波长,就会发生瑞利散射(Rayleigh scattering,由英国物理学家瑞利勋爵于1900年提出):光被扩散至各个方向的强度不一致,该强度与光波长的4次方成反比。所以,波长越短的光,如蓝紫光,散射能力越强;而波长越长的光,如红光,则相反。

 图 | University of Arizona, hydrology & atmospheric sciences

  图 | University of Arizona, hydrology & atmospheric sciences

  如上图所示,一束白色的阳光(白色箭头)被大气中的空气分子(黑点)散射。因为空气分子(想像它们为小小的均匀球状粒子)的粒径比阳光波长小很多(例如,氮(N2)和氧(O2)分子的尺度分别为0.305和0.299纳米),所以阳光中波长短的蓝紫光散射能力比波长长的红光更强,被散射至各个方向。因大气中某些成分会吸收紫光,而且人眼对紫光不敏感,故而在风和日丽的日子里,我们看到的天空是蓝色的。

 图 | University of Arizona, hydrology & atmospheric sciences,图有改动

  图 | University of Arizona, hydrology & atmospheric sciences,图有改动

  当你看近处的物体时,如上图中的近山,你所感知的大多是山表面反射的光(绿棕箭头)。而观看比较远的山时,就会感知更多的空气分子散射至四周的蓝光(蓝色箭头);山与你的距离变得更远时,介于你和山之间的空气分子越来越多,散射的蓝光几乎覆盖了反射的光,因此你看到的便是蓝色的山。

  所以,距离越远,介于你和山峦之间的空气分子越多,能到达眼睛的散射的光便越多,直到覆盖反射的光。

  因此,当你欣赏风景时,悄悄地触碰你的眼角膜的不止是景物表面反射的光,还有空气分子散射的光。

  当0.1<χ<50,比如当空中有雾或薄云时,也就是水蒸气遇冷凝结后飘浮在空中的小水点,因为水滴比可见光波长大的多(直径小于200微米),不同波长的光一视同仁地被散射,所有光组合起来便又是白色。

  此外,前面提到了大气中的悬浮颗粒物,这些颗粒物的粒径是可见光波长量级或比后者大,比如,粗颗粒物(PM10)的粒径小于10微米,细颗粒物(PM2.5)粒径小于或等于2.5微米。如果在大气中存在较多,阳光一定范围的长短波都会被同样的散射,使能见度降低,人眼看到的远景变得模糊,只剩一片白茫茫的景象(PM10 与PM2.5都是造成雾霾天气的“元凶”)。这种没有选择性的散射,通常被称为米氏散射(Mie scattering,由德国物理学家古斯塔夫·米于1908年提出)。

  微米是米的百万分之一,是纳米的一千倍。不想揭你的心伤哦,不过我们再拿头发作参考,一根细发的直径约60~90微米 | 好奇心日报网,图有改动

  而当χ>50,就不能再以散射模型来研究,而是需要几何光学的理论,所以这里就先不谈了。

  大气透视:立体&空间感&深远意境

  达·芬奇早在他那个时代,就结合对大自然的观察,从生理和物理光学的角度研究了大气对人眼看到的远景的影响。在他的绘画手稿中,他首次提出了“大气透视”(atmospheric perspective)的概念。这个概念被他运用到作画中,不仅在平面的画面上加强了纵深感,使他笔下的景物栩栩如生,还营造了一种独特的意境。

《圣母领报》。上:1489-90年,桑德罗·波提切利(Sandro Botticelli)

  《圣母领报》。上:1489-90年,桑德罗·波提切利(Sandro Botticelli)

下:1452年,达·芬奇。

  下:1452年,达·芬奇。

  两幅画同为基督教传统的绘画题材,圣母领报,指天使向圣母玛利亚告知她将受圣灵感孕而即将生下耶稣。不同于达·芬奇的作品里的远景,波提切利并没有运用大气透视来造景,导致其作品欠缺空间深邃感。

  不过,达·芬奇并不是第一个运用大气透视的画家。在我国,宋代是传统山水画的高峰时期,这个时代的画家也特别注重写实,对季节气候的多样变化捕捉得极为准确和巧妙;而且,虽无颜料上色,却能以水墨近浓远淡的形式晕染出烟尘飘渺的景致,构成清远高旷的意境。

《溪山独钓图》,[宋] 李唐

  《溪山独钓图》,[宋] 李唐

  仔细观察李唐的作品,可以看到近处的山和树被勾勒得精微细致;而远处的景物只是以几笔水墨轻描淡写,使其隐映于烟尘之中,却营造了深远的意境。

《山腰楼观图》,[宋] 萧照

  《山腰楼观图》,[宋] 萧照

  萧照的作品中近景浑厚凝重,远景则简朴淡泊。两者对比强烈,展示出无限辽阔的空间意象。

  “远山丛丛,远树蒙蒙,咫尺万里,江行其中。短长何岸,高低何峰,彼坻彼峙,彼瀑彼洪。晴岚乍豁,烟霭葱茏,或断或续,且淡且浓。”描述了《千里江山图》([宋] 江参)出神入化的意境。因为图片太长,故不放上,只留下这段诗给读者你无尽的遐想~ 感兴趣的话可以自己搜索哦。

  因此,下次观赏风景时,不要忘记,这个世界不只有诗、远方、绘画,还有空中大气散射的物理现象。

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