为什么黎明前的黑夜是最黑暗的？

coolboy

不久前在一论坛上发了一个评论：“凛冬已至，春天还会远吗？”
这让我联想到了另外几句类似的评论：
“凛冬已至，春天还会远吗？”
“黎明前的黑夜是最黑暗的。”
“太阳表面有黑子。”
“那工厂的大烟囱在不断地抖动着。”
上面的几句话其实都是常识性的科学现象，是完全可以用科学原理给出合理解释的。第一句说的是自然的季节替换。第三句说的是太阳大气运动也像地球大气运动那样，也会产生风暴。从地球上看太阳上的风暴就像在地球人造卫星上看地球上的台风那样会获得类似的图像。大烟囱的抖动是因为有风力以及大气湍流的作用。现在居住在高层楼房顶层的人们有时也能亲身感受到类似的抖动了。
科学道理也常常会被政治人物在政治斗争中加以引申应用。当年我上中学的时候，在正课之前先要进行政治学习（早请示）。大家先学习几段毛主席语录以及“老三篇”之类的文章，之后大家再联系实际谈感想、斗私批修、弘扬正气、批判错误。有一天，一个同学站起来说：某某同学那天居然说“太阳表面有黑斑”，他这是在诬蔑、攻击我们心中最红最红的红太阳，真是叔可忍、婶不可忍。另一个同学则又站起来说，该同学还说过“那工厂的大烟囱在不断地抖动着”，他这是妄想破坏当前“抓革命、促生产”的大好形势。后来据说查出那同学的大哥是一个（文革前毕业的）大学生，时常会给小弟灌输一些科学知识。而该同学则只是想显摆一下自己而已。
关于“黎明前的黑夜是最黑暗的”这一科学解释应该算是比较偏僻的。在发帖之前我顺便查了一下网上的科学解释，发现居然完全不同于我想给出的解答。网上的科学解释应该是错误的。为此，我便在下面给出我自己的科学解答。
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问：为什么黎明前的黑夜是最黑暗的？

答：为了回答这个问题，我们首先要弄清楚我们看到的“光”是如何产生的。最常见的光源自于太阳光。太阳光从月球表面反射给了我们月光，太阳光穿过空气时被空气中的分子、云朵、污染物等物质的散射产生了白天的天空。
除了由于太阳光的反射和散射能给我们带来光明之外，一些物质通过不同的方法把它“激发”到比较高的能量状态之后，它自身也能发光。例如，我们把一块铁放在火炉中加热，当铁块的温度达到一定程度时，我们就看到铁块变成了殷红色。那殷红色的光就是铁块发出来的。再比如，我们常用的日光灯或也称为荧光灯，那日光灯发出的光是通过灯管中的气体（氩气或氩氖混合气体及水银蒸气）被激发之后而发射出来的。
空气中的气体分子也会被“激发”到比较高的能量状态之后再自身发光。与“黎明前的黑夜是最黑暗的”的这一现象相关的发光过程就称之为“气辉”。那是高空的空气分子吸收了太阳光之后被激发到了比较高的能量状态之后，空气分子自身发出的光。那些高能量状态的分子发射出了光线之后又回到了正常的低能量状态，也就不再发光了。但这发光及能态转换过程是需要一定的时间的（类似于“半衰期”的概念）。这也同我们看到的那殷红色铁块会慢慢地变淡相类似。其实大家若是仔细观察的话，也可以看出日光灯“开”、“关”灯之后有一小段的时间差才会使得日光灯的光线变得很亮或光线完全熄灭。
空气中由“气辉”而发射出的光线也存在且存在比较长的时间延迟。“气辉”恰恰是在“黎明前的黑夜”时间最弱。这是由于此时空气中的高能量状态的空气分子数最少。当太阳再次升起时高能量状态的空气分子数又会增加。当然，白天的时候，强烈的太阳光线掩盖住了极微弱的由“气辉”过程导致的空气分子自身而发射出的光线。
除了太阳光能“激发”空气分子到比较高的能量状态之外，还有其它的一些物理过程也同样能“激发”大气中的空气分子到高能状态。例如，外太空的一些带电高能粒子（俗称“太阳风”）在进入到地球环境时，会沿着地球的磁力线而汇集到地球的极地区域。那些汇集的高能粒子与空气分子碰撞时也同样会“激发”大气中的空气分子到高能状态。在极地区域由此过程而产生的那些高能状态的空气分子所发出的光就是我们所看到的“极光”。这里贴出的几张“极光”（Aurora）的相片取自于网络的图片。

  

coolboy

我的此篇博文昨天发在了国外的一个知名网站。上了导读，也获得了较高的点击率，上了热门。博文带有很大的科学性，属于空间科学领域，并与数学其实也密切相关。故在此也转发一下。