有哪些原理可以解释日出前与日落后的绚丽霞光现象？

日出前与日落后的绚丽霞光（朝霞和晚霞）现象，主要是由以下几个光学原理共同作用的结果：

光的散射（主要原理）：

• 瑞利散射：这是解释天空颜色和霞光的基础原理。大气层中的气体分子（主要是氮气和氧气）和极小的微粒对入射的太阳光有散射作用。瑞利散射的特点是散射强度与波长的四次方成反比（I ∝ 1/λ⁴），这意味着波长较短的蓝光和紫光比波长较长的红光和黄光更容易被散射。
• 日出日落时散射路径长：当太阳在地平线附近（日出前或日落后）时，阳光需要穿过更厚的大气层才能到达我们的眼睛。在这段长距离的旅途中，大量的蓝光和紫光被大气分子向四面八方散射掉了。最终到达我们眼睛的光线中，短波长的蓝紫光成分大大减少，而长波长的红、橙、黄光成分相对较多且能穿透过来，因此天空呈现暖色调，形成霞光。

米氏散射（增强因素）：

• 当大气中存在较大的粒子（如灰尘、烟雾、水汽凝结成的较大水滴或冰晶、污染物等）时，会发生米氏散射。米氏散射对波长的依赖性不像瑞利散射那么强，它对所有波长的光都有散射作用，但在可见光范围内可能对红光、橙光的散射效率更高一些。
• 日出日落时，光线路径长，遇到这些较大粒子的机会更多。米氏散射会进一步削弱蓝光，同时增强红橙光的散射（有时也会使霞光边缘带有粉紫色），使得霞光更加绚丽多彩。大气中的尘埃、水汽、云层中的水滴和冰晶等都会参与这种散射。

大气折射（背景因素）：

• 地球的大气层密度随着高度增加而减小，这使得光线在穿过大气层时会发生弯曲（折射）。这种折射效应使得太阳在地平线以下时，我们仍然能看到它的光（即太阳看起来比实际位置“高”一点）。
• 正是这种折射作用，使得日出前（太阳还在地平线下）和日落后（太阳已在地平线下）的阳光仍然能够照射到高层大气，然后被散射到地面，让我们看到霞光。它延长了“霞光时段”。

粒子类型与分布（影响颜色变化）：

• 大气中粒子的种类、大小和高度分布会极大地影响霞光的具体颜色和形态。
• 低层大气中较大的尘埃和水汽粒子倾向于散射更多红光（米氏散射为主）。
• 高层大气中较小的分子和微粒则更倾向于散射蓝光（瑞利散射为主），但长路径下蓝光被严重削弱。
• 不同高度、不同区域粒子成分和密度的差异，导致了霞光色彩在天空中的渐变和层次感（例如，靠近地平线处更红，向上逐渐变黄、变淡）。

总结来说：

绚丽霞光的核心原理是长路径大气散射。太阳在地平线附近时，阳光穿过极厚的大气层。在这个过程中：

• 瑞利散射：大气分子强烈散射掉短波长的蓝光和紫光。
• 米氏散射：大气中的较大粒子（尘埃、水汽等）进一步削弱蓝光，并可能增强红橙光的散射。
• 结果：最终到达人眼的光线中，长波长的红、橙、黄光占据主导，形成温暖绚丽的色彩。
• 大气折射：使得我们能在太阳实际位于地平线之下时，提前看到其光线被散射形成的朝霞，或延迟看到其光线被散射形成的晚霞。
• 粒子分布：决定了霞光色彩的具体分布和变化。

因此，霞光的绚丽程度也与当天的空气质量、湿度、云量（云层可以反射和散射霞光，有时形成更壮观的景象）以及高空是否有火山灰或沙尘等特殊天气条件密切相关。