「迷你問答」天空為什麼是藍色的？

作者拍攝於塞班島

接下來書歸正文，談一談天空為什麼是藍色的：

我們看到的天空，經常是蔚藍色的（當然，不考慮霧霾時），特別是一場大雨之後，天空更是幽藍得猶如一泓秋水，令人心曠神怡。那麼天空為什麼是藍色的呢？

首先讓我們從下面幾個光學現象說起。

光的色散

複色光分解為單色光而形成光譜的現象叫做光的色散。色散可以利用稜鏡或光柵等作為「色散系統」的儀器來實現。複色光進入稜鏡后，由於它對各種頻率的光具有不同折射率，各種色光的傳播方向有不同程度的偏折，因而在離開稜鏡時就各自分散，形成光譜。

陽光看起來是白色的，但其實自然光由赤橙黃綠青藍紫七種顏色的光組成。早在1666年牛頓利用三稜鏡實驗

太陽光到達我們的眼睛里，就必須經過大氣層。根據大氣垂直溫度的變化，我們把大氣層分為：熱層、中間層、

大氣層

由於熱層上部大氣多為質子組成，為大氣圈向外層空間的過渡地帶，稱為外層也叫散逸層；距離地面10~50千米左右的氣層稱為平流層，平流層內的空氣比對流層要稀薄很多，很少會出現天氣現象，平流層中在15~35千米的範圍內，有厚約20千米的臭氧層；對流層是最靠近地面的，大氣中主要的天氣現象（如雲、霧、雨、雪、雹等）都形成在此層內，這一層富集了如N2、O2、Ar等氣體，還有各種人為排放的顆粒物。

當自然光在前進的路線上碰到大氣層中這些障礙物，傳播方向就會發生改變，發生散射現象。

光的散射

光通過不均與介質時一部分光偏離原方向傳播的現象。我們知道，光無論是在空氣、水或是其他介質中，總是沿著直線傳播。一旦遇到一個小的顆粒，就有一部分光線偏離原來的方向向四面八方傳播。這就是光的散射現象。

正常天氣狀況下，大氣層中的顆粒物質尺寸遠小於可見波波長，光線碰到這些小顆粒時發生的散射稱為瑞利散射。

瑞利散射

氣體對不同顏色光的散射強度與光的波長的4次方成反比（強度~λ-4），這種現象是在19世紀，由英國科學家瑞利發現的，所以被稱為瑞利散射。

由瑞利散射與波長的關係可以看出，波長越短瑞麗散射的強度越大，因此波長較短的藍光（波長約為450納米）會比波長較長的紅光（波長約為600納米）散射更強。經過大氣層中無數顆粒的多次散射后，短波波段的藍色光線相比其它波長更長的光線變得更強，所以我們就看到了蔚藍的天空。

你問我答

Q：既然波長越短散射越強，為什麼天空是藍色而不是紫色？

A：上文提到平流層有一層臭氧，臭氧對太陽輻射的紫外線有強烈的吸收作用，因此能夠到達地面的紫光很少，再加上我們的眼睛對紫色不如藍色那樣敏感，所以雖然紫光比藍光波長更短，但我們看到的天空不是紫色而是藍色的。

Q：為什麼有時天空不是藍色而是白茫茫的？

A：在大氣污染的情況下，比如出現霧和霾時（霧和霾是兩個完全不同的概念），天空總是能見度不佳呈現白色。上文講到過光線遇到較小的氣體分子時發生的散射叫做瑞利散射，當光線碰到粒徑大小接近於或大於光線波長的粒子時，發生的散射叫米氏散射（或米散射）。與瑞利散射不同的是，米氏散射的強度幾乎與波長無關，而且光子散射后的性質也不會改變，因此經米氏散射后的光線呈現白色或灰色。在霧天或霾天時，空氣中懸浮著大量的水滴、煙、塵等顆粒，光線透過時主要是米氏散射，因此我們看到的總是白茫茫甚至是灰色的一片。

Q：為什麼太陽看起來不是藍色？為什麼朝陽和夕陽是橙紅色？

A：白天，太陽在我們的頭頂，當日光經過大氣層時，與空氣分子發生瑞利散射，因為藍光的瑞利散射比較強，所以天空呈現藍色。但是太陽本身及其附近卻呈現白色或黃色，這是因為在太陽與太陽周圍範圍內我們看到的光線大多是直射光而不是散射光，所以日光的顏色（白色）基本未發生改變。而當日落或日出時，太陽幾乎在我們視線的正前方，此時太陽光在大氣中要走相對長的路程，這時直射光中的藍光大多都被散射了，只剩下紅橙色的光，這就是為什麼日落時太陽附近呈現紅色。而此時的雲也因為反射太陽光而呈現紅色，這就和用紅色的光照在白紙上的道理一樣。

Q：為什麼雲是白色的呢？

A：空中的雲是由小水滴和空氣中的粉塵組成的，它們的直徑比可見光的波長要長，所以當陽光穿過雲時主要發生的是米氏散射，另外有一部分陽光被反射到空中，還有一部分直接穿透水滴之間的縫隙。上述3種情況對陽光的成分都沒有影響，所以通常情況下雲是白色的。

Q：為什麼雨前的雲又灰又暗？

A：當雲層發展得越來越厚時，更多的陽光會被反射，只有越來越少的陽光可以穿透它。由於較少陽光到達雲底，雲底的散射亦較少，所以雲底呈灰色。此外，如果在雲底附近的水滴越來越大（如水滴重量足夠造成降雨的前一刻），它們會變成較弱的散射體和較強的吸收體。因此，大部分陽光經過反射或吸收后才能達到帶雨厚雲的雲底。從雲底到達地面的光大為減少，所以在下雨前雲看起來是又灰又暗的。

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