达·芬奇和宋代画家告诉你，除了诗和远方，世上还有散射现象
2020/6/11 7:00:00 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？
上：《圣母、圣子与圣安妮》，1510-1513年；下：《纺车边的圣母》 ，1501年，列奥纳多·达·芬奇(图片来源：上见水印，下维基百科)
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：
(图片来源：自制)
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。(图片来源：自制)
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(图片来源：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(图片来源：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。
(图片来源：University of Arizona, hydrology & atmospheric sciences，图有改动)
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。
(图片来源：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(图片来源：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)。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(图片来源：Le Gallerie degli Uffizi)
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(图片来源：新浪网)
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(图片来源：百度百科)
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。
参考文献:
1. Dorfles G., Buganza S., Stoppa J.. Storia dell’arte 2 – Dal Quattrocento al Settecento [M]. Italy：ATLAS，2004：112-116，198-247
2.堪称绝世的宋代书画(http://collection.sina.com.cn/zt/sdshzp)
3.蔡罕. 宋代院画研究(中国美术馆官网http://www.namoc.org)
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