泸沽湖女儿国的丁达尔现象

冬季的雾霾看来是把中国人吓坏了,各种段子也纷至沓来。今天看见这样一个段子:倡议书:

    马上就要过春节了,建议大家不要买烟花,实在钱多可以做做公益事业,今年的空气状况是什么样大家都很清楚。春节要是再燃放很多烟花的话那就比重度污染还重度污染了。上世纪五十年代的伦敦发生过一场很严重的雾霾天气,那次导致几千人中毒死亡,大家都不希望中国也变成这样。从身边小事做起,杜绝丁达尔效应!请热爱健康的各位转发给身边的人,为了我们的孩子们,其实也为了自己,从我做起!我同意,我转发!


请看上图,阳光透过云层,投射一条一条放射状的光芒,煞是好看。我想说,这就是你要杜绝的丁达尔效应(也叫丁达尔现象)。

这么美丽的丁达尔现象,你也忍心杜绝?

丁达尔现象是一种光学现象。光学现象是一种自然规律,自然规律不存在对错,不存在杜绝不杜绝的。你杜绝,它也存在;你不杜绝,它也存在。

自然界有许多美丽的光学现象。彩虹、佛光、肥皂泡、晨曦、晚霞、蔚蓝的天空、海市蜃楼……都是非常讨人喜欢的光学现象。丁达尔现象是美丽的光学现象的一种,你怎么忍心杜绝?

化学家会用丁达尔效应判断非均相体系是胶体溶液(气溶胶)还是真溶液。

光线透过胶体或气溶胶,会发生丁达尔现象。150年前,丁达尔教授发现,用可见光照射气溶胶(或胶体),垂直方向的观察者会看见一束光,这就是丁达尔效应。

胶体或气溶胶的当量粒子直径约为1到100纳米,可见光的波长约为400到700纳米。胶体或气溶胶的当量直径比可见光的波长更小,此时可发生丁达尔现象。

如果体系中颗粒(或液滴或胶束)的粒径更大些,超过可见光的波长,微米级以上的颗粒,那么,光线就会发生反射和折射,这时候看到的是浑浊或黑暗。

如果你有一杯肥皂水,当你用光线照射肥皂水时,这时候就会发生丁达尔效应。因为肥皂水就是胶体。水玻璃、墨水、氢氧化铝溶液、氢氧化铁溶液、添加颜料的玻璃、洗衣粉水、豆浆、牛奶……都是胶体。


如果你的一杯水里不是肥皂水,而是食盐水或者糖水或者啤酒,你知道,这是一种透明溶液,光线穿透透明溶液跟穿透玻璃、空气或纯净水一样,畅通无阻。这种溶液就是真溶液,真溶液中也有颗粒,只不过那些颗粒(就是溶质或溶剂)的分子的粒径很小,为皮米级,远远小于可见光的波长,光线通过真溶液几乎不发生散射,也就没有丁达尔效应。

所谓胶体或气溶胶,就是纳米级的颗粒分散在介质中;当颗粒(固体或液体或胶束)均匀而不连续地分散在连续的气体中,这叫气溶胶。气体溶解于气体,固体溶解于固体,那也是真溶液。固体分散在固体中则是胶体。

雾霾就是一种气溶胶。空气中的pm2.5(也可以是pm10或pm1.0或pm0.25或者其他尺寸的液滴、胶束或固体)均匀地分散或悬浮在空气中,这就是雾霾。雾和霾没有截然的界限,所以我们常常把雾和霾的混合物成为雾霾。

既然雾霾是一种气溶胶,那就会有丁达尔现象。当阳光照射在雾霾上,虽然我们可以看见丁达尔现象,我们的心情也不好,因为此时的丁达尔现象是污染的代名词。浓厚的雾霾颗粒太大、太浓厚,即使有阳光,也透不过雾霾层,我们的视界是一派灰蒙蒙,这时候即便没有丁达尔效应,我们看起来也不爽。

雾霾是有轻重之分的,轻微的雾霾,透光度要高;浓重的雾霾,那就趋近暗无天日了。有没有丁达尔效应,不是我们判断空气质量好坏的标准。

我们看见的画面是空气质量等级为优的湖面。

这是一个高山湖泊,人烟稀少,人类活动排放的污染物很少。

这样的湖面上也会发生丁达尔现象。但是我们没有清楚地看见云或雾。说明湖面上只有淡淡的看不见的水汽。但是,当阳光透过云层,湖边的观察者(就是本人)也能看到美丽的丁达尔现象。这正是一百五十年前丁达尔教授的心思,他就是想判断肉眼看不出有颗粒的空气究竟是不是真的没有颗粒,结果他发现了以他的名字命名的光学现象。

这是一个泉水补给的大湖,湖面面积达几十平方公里,一年四季,湖面上都存在水的饱和蒸汽压,有风或气温升高的话,湖水蒸发速度会加快,因此,湖面上总是存在可见或不可见的水汽,遇到冷空气冷凝成小水滴或凝华成小冰晶,那就是气溶胶。

这是海拔3774米格姆女神山上空的云。云中,一群黑天鹅飞过。

高空的云和低空的雾也是气溶胶,我们却没有观察到丁达尔效应。

丁达尔现象是一种肉眼可观测的现象,如果正在上演丁达尔效应,你能否看见跟观察者的位置有关。

丁达尔效应的光学本质是散射,散射光要到达观察者的眼睛,否则是看不见的。也有时,散射光相对于环境光线太弱,我们无法分辨感知。

科学是无止境的,丁达尔教授当初发现丁达尔效应时,全世界的科学家都只能解释一部分光学现象,而不是全部,更搞不清光的本质。为什么肥皂泡是五颜六色的?典型的丁达尔现象是可见光的散射,光线改变了方向,却并不改变波长。但是,有时候,我们或许能在丁达尔现象的光线中,发现彩色,这是怎么回事?那就要有请普朗克和爱因斯坦横空出世了。

牛顿、惠更斯、丁达尔、麦克斯韦……1900年前的科学家无不认为光是连续发射、传播的,爱因斯坦受普朗克能量子理论的启发,发现光不是连续发射、传播的,而是一份一份地。这个份,就叫光量子,也叫光子。光子是一种能量,普朗克给出了光量子的表达式:E=hν

这里,E是能量/J,h是普朗克常量=6.626×10^-34Js,ν为频率/s。量子理论诞生。以后,无论多么稀奇古怪不可思议的光学现象,我们都可以祭出量子理论的大杀器。

黑天鹅像是迅疾的闪电,转眼间消逝在远处的天空。回头继续看湖面,湖面上的丁达尔效应继续上演。

天冷,湖畔的当地人生起了炭火;烤火,是小凉山区居民的常见取暖方式。

小凉山,横跨川滇,地广人稀,其中宁蒗彝族自治县六千平方公里的面积只有二十万居民,少量炭火产生的烟雾还在自然界的自净能力范围内。

如果是几百万甚至两千多万人口的大城市都烤火取暖(以及燃放烟花爆竹,还有工业污染等等五花八门的污染源),那么,整个城市必然狼烟动地,雾霾横行,就像熏耗子洞那样。这时候,确实应该呼吁减少雾霾了。可以喊杜绝雾霾的口号。


下午阳光强烈,湖面的水滴被蒸发,有没有灰尘,无法形成气溶胶,丁达尔效应就消失了;入夜,月亮升起,湖面上还能看见丁达尔现象吗?

只要湖面上具备白天产生丁达尔现象的条件,月光下也会产生丁达尔效应,但是晚上光线暗,人类的肉眼不一定能分辨出来。



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