機器1718 2022-07-18

當我們躺在草地上，微風拂面，蔚藍的天空映入眼簾，身心感到放鬆時，你有沒有想過，天空為什麼是藍色的呢？為什麼不是其他顏色，比如粉色、綠色呢？

就是這我們已經習以為常的自然現象，背後隱藏的物理規律卻並不簡單，說它不簡單，那是因為關於“天空為何藍色”的正確解釋，直到19世紀末20世紀初才由科學家給出了完善答案，要知道那時已經距離牛頓開創經典力學體系已經過去了足足兩個多世紀。不過從科普文章的角度出發，咱們只需要定性的瞭解這些規律即可，這樣來說，其實也不算複雜。

關於歷史上是誰第一個對天空為何是藍色做出相關解釋的（解釋並不需要正確），咱們已經無從得知，但

咱們可以先自己思考一下這個問題

。

首先不管天空是什麼顏色，前提都是空中的光子進入我們的眼睛，從而讓我們看到了天空的狀態，而這些光子是從哪裡來的呢？

要知道大氣層是不可能自己發光的（應該說在沒有外來物的情況下，不可能持續發出可見光），而這裡的光子自然是太陽“送”過來的，但我們都知道太陽光是複合光，是因為牛頓利用三稜鏡發現了太陽光可以分解成多種顏色的光，因此天空的藍色是不是也因為天空中存在著類似三稜鏡一樣的東西，將光分解了？

但仔細一想，這樣並不正確，太陽光經過三稜鏡會分解成數種顏色的光，那是因為折射的原因，如果是這樣，我們看到的天空不應該只是單一的藍色，而是七彩斑斕的才對。如果不是折射的原因，難道是因為藍色光在穿越大氣層的途中被“阻攔”了下來，導致它們無法抵達地面，只能在大氣層內不斷的“遊蕩”？

總的來講，這是一個光學現象，涉及光線穿越介質時的情況，因此我們可以從相類似的

丁達爾效應

說起。

關於這個效應，相信很多讀者朋友在學習中學化學時都有接觸，老師告訴我們，丁達爾效應可以用來區分溶液和膠體，你只需要用一束光對準要區分的液體，如果裡面出現了一條光亮的通路，那就意味著這是膠體溶液。

丁達爾效應是英國科學家

約翰·丁達爾於1869年發現

的，其背後的微觀解釋是因為膠體溶液中存在大量直徑不超過100奈米的小微粒，這些微粒的直徑小於可見光波長範圍，因此當光線透過時，就會發生散射的現象（如果微粒的直徑過大，比光波長還要大很多時，就會出反射現象）

因此當時的人們用丁達爾效應用來解釋天空的顏色

，認為是由於大氣中存在大量的灰塵、小水滴、冰晶等眾多的小微粒，而太陽光在透過大氣時，會不可避免的遇到這些微粒，將太陽光中的波長較短的藍色光散射到整個天空當中，因此整個天空才會呈現藍色。

這種解釋看上去似乎並沒有什麼問題，不過實際上在丁達爾效應中，散射光的強度與入射光波長之間的關聯並不是很強，雖然理論上還能說的過去，但放到現在來看，卻

並不是正確答案，關鍵問題出在了“大氣中的灰塵、水滴等小微粒”這一點上

。

我們知道，雖然空氣中含有類似於塵埃、水滴等小微粒是“理所當然”的，但這些小微粒的濃度卻是一個變數，而濃度直接影響著散射程度，散射程度的不同又直接導致天空的顏色出現差異。

但實際上，草原上的天空和沙漠上的天空似乎沒有什麼區別啊，這顯然與丁達爾效應的解釋不一致。如果概括來講，就是丁達爾效應解釋“天空為何是藍色”，它的結論應該為：不同地區由於環境不一樣，因此天空的顏色差異會很明顯。

但實際上，這一點並不存在，那麼天空到底為什麼呈現藍色呢？

現在我們已經能把大氣中的雜質小微粒的影響排除了（至少不是主要原因），那麼還有什麼呢？思來想去，似乎就只有大氣本身了，難道是因為大氣中的各種氣體分子嗎？

很幸運，我們的想法和著名物理學家

約翰·威廉·斯特拉特

走到一塊（也就是瑞利男爵，因此後人直接稱其為

瑞利

，這種叫法也體現在物理學家開爾文身上，實際上他的本名叫做威廉·湯姆遜）

在經過仔細研究後，瑞利發現，散射現象不僅僅會發生在雜質微粒身上，對於單獨的原子或分子而言，散射現象同樣會發。這被稱為

瑞利散射，

一般來說，當粒子的直徑遠小於入射光波長時（不超過波長的十分之一），散射光的強度同入射光的頻率呈四次方正比關係（也即是和波長呈四次方反比），因此對於波長越短的光，散射就會越強，如果以太陽光為例，那麼位於可見光範圍內的短波藍紫光就最容易被散射開。

那麼對於非常純淨的大氣環境下，即便其內部沒有懸浮的各種塵埃、冰晶等雜質微粒，也會由於大氣分子的散射作用，而使得太陽光中的藍紫光被散射開，從而瀰漫到整個大氣層，因此

瑞利散射是天空呈現藍色的原因

。

而日落時的夕陽正是這一理論的最好驗證。

考慮到地球是一個球體，因為包裹地球的大氣層可以看做是一個球殼，一般在每天正午左右，太陽位置達到每天的最高點，此時太陽光從大氣層穿透到地面上時，經歷的大氣層厚度是一天當中最短的；而到了日落（或者日出）時，太陽光所經歷的大氣層厚度是一天當中最長的，關於這一點從下圖比較直觀的看出來

而穿過的距離越長則意味著更多的藍紫光被散射，於是最後只有偏紅的光抵達地面，這就是為什麼在日落時的太陽呈現出鹹鴨蛋黃的顏色，不過值得注意的是，這種紅色只在太陽附近出現，而其餘更大部分的天空，仍舊顯示藍色或者更暗的顏色（畢竟太陽要落山了，即將要進入夜晚）

本篇文章的內容到此結束。

謝謝各位閱讀！

以後還會不斷更新精心準備的通俗科普長文