断虹霁雨，净秋空，山染修眉新绿。

这样的体验，我们也一定有过相同的感受。一场大雨过后，空气仿佛被洗涤过一般，清新而纯净。天空湛蓝如如海，而那些平日里隐没在远方雾霭中的山峦，此刻也变得轮廓分明。这并非错觉，而是一场发生在我们头顶之上，涉及物理、化学与气象学的宏大净化过程，就如同擦亮了一扇蒙尘的窗户。那么，这层看不见的尘埃究竟是什么？又是何种自然之力，充当了这高效的清洁剂呢？

空气并不纯净，是因为除了氮气、氧气等气体分子,还悬浮着数不清的微小颗粒，也就是气溶胶。这是漂浮在空气中的各种杂质，除了人为造成的污染外，地球本身就是一个巨大的气溶胶发生器。海洋翻滚时溅起的浪花，蒸发后留下微小的海盐颗粒；火山喷发将大量的火山灰抛入大气；甚至植物散播的花粉、森林燃烧产生的烟尘，都是气溶胶的天然成员。这些气溶胶的尺寸从几纳米到几十微米不等,比头发丝还细得多,肉眼根本看不见单个颗粒。但它们的数量又很惊人，在城市空气中,每立方厘米可能有成千上万个这样的微粒。

而这些颗粒会影响我们的视野的关键，在于传到我们眼中的光线。阳光从太阳射向地球时，本身是白光，包含了彩虹的所有颜色。这些颜色之所以不同，是因为它们的波长不同，赤橙黄绿蓝靛紫，其中红光波长最长，橙黄光次之，蓝紫光波长最短。当阳光进入大气层后，其命运就取决于它与空气中物质的互动方式。这种互动，就是散射。

当阳光撞上大气中尺寸与其波长相当或更大的颗粒时，就会发生米氏散射。这个尺寸范围恰好与我们前面提到的大部分气溶胶粒完美重合。米氏散射对所有颜色的光几乎一视同仁，散射效率与光的波长没有固定的强弱关系。当所有颜色的光被均匀地混合散射时，我们眼中看到的就是白色或灰色。这正是云、雾和浓霾呈现白或灰色的原因 。因此，当空气中充满了气溶胶时，米氏散射就占据了主导。它将一层白或灰色的光叠加在天空的背景上，冲淡了天空本应有的蓝色，使得整个世界看起来灰蒙蒙的，远处的景物也因此变得模糊不清。

但大气中还有另一种散射机制在同时上演。当阳光遇到比其波长小得多的粒子时，比如氮气分子和氧气分子，就会发生瑞利散射。它与米氏散射截然不同，具有强烈的颜色选择性。简单来说，就是散射的强度与光波长的四次方成反比。波长较短的光就会比波长较长的光被散射得要强烈得多。因此，当阳光穿过纯净的空气时，其中的蓝光因为波长短，成分被空气分子们挑选出来，并被散射到整个天穹，使得我们无论望向哪个方向，都能看到一片蔚蓝。而日出日落时太阳之所以呈现红色，也是瑞利散射的杰作。此时由于太阳与地球的相对位置，太阳光需要穿过更厚的大气层才能到达我们的眼睛，被散射的光也就越多，导致路途中绝大部分蓝光都已被散射殆尽，甚至无法传到我们的眼中。只剩下穿透力更强的红橙色光线能够幸存下来，最终映入眼帘。作为对比，月球因为没有大气层，也就没有瑞利散射，所以它的天空一片漆黑。

由此可见，天空的通透度，本质上是瑞利散射与米氏散射这两种力量博弈的结果。而大自然，恰好为瑞利散射准备了两种强大的清洁武器：雨水和风。

当下雨时，水滴从云层落下，会捕捉空气中的气溶胶，有些颗粒直接撞上雨滴被吞噬，有些被雨滴周围的气流卷入其中，还有些溶解在雨滴里，这个过程被称为湿沉降。风则是把气溶胶吹走或压下去，这被称为干沉降。

当雨停风散，阳光重新洒向大地时，空气中的气溶胶已经所剩无几。瑞利散射重新主宰天空，没有了白色光雾的遮蔽，天空呈现出最纯粹的蓝。

荡涤原野，清如洗。是诗人的浪漫表述，更是一场看得见的物理净化。

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品

出品丨中国科协科普部

监制丨中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司

作者丨蔡文垂 中国科学院大学博士研究生 中国光学学会会员

孙明轩丨 上海工程技术大学教授、中国科普作家协会会员

来源: 科普中国创作培育计划

内容资源由项目单位提供