天空为何呈蓝色，大气的散射现象

湛蓝的天空

1．天空为何呈蓝色

天空呈现的色彩主要是太阳光与大气层相互作用的结果。太阳光是白色光，也可称为多色光（包含了彩虹中的所有色彩），而大气层中含有一定数量的水分（一般是少量的）和灰尘颗粒。

太阳光穿过某个物体时，它的传播方向会发生一定角度的折射，角度的大小取决于它要穿过什么样的物体。

透明物体一般都有一个被称为折射率的参数，这个参数的大小取决于穿过该物体的光线的颜色。因此，当一束白光穿过一个物体时，这束光线中的每一种颜色以不同的角度折射，这就是白光在穿过棱镜后分散成各种颜色的光的原因。

白光中每种颜色的光的波长都不相同。蓝色的光波长最短，折射率最大，即它相对白光弯折的角度最大；黄色和红色的光波长最长，弯折角度最小，几乎没有什么弯折。

蓝光折射以后与空气中的微小颗粒相遇，再次发生折射，改变传播方向，在大气层中曲折向前，直至照到我们身上。因而，当光线照到我们眼睛时，好像蓝色光线来自天空的四面八方。

当太阳低悬在天边时，阳光就要穿过很厚的大气层，这时光线和大气层中的微小颗粒多次发生相互作用，蓝色光线和紫色光线向四面八方传播，而黄色光线和红色光线几乎没有折射，仍然沿着以太阳为起点的直线方向传播，这样就在地球上形成了太阳初升、斜阳夕照的美丽景色。

阳光与微小粒子的相互作用也在这一现象中有所贡献。当电磁波（如阳光）入射到孤立的原子中或小分子中时，与电子云相互作用，把能量传给原子，使原子中的电子处在振动之中。处于振动状态的电子不会保持很长时间，而是将它们最初吸收的能量重新释放出来，回到原有状态。

这就意味着，如果入射光是白光（由各种波长的光组成），那么重新释放出来的白光中波长最短的光（蓝色和紫色）的数量多于波长最长的光（红色和黄色）。结论就是，当阳光遇到这种微小粒子时，它们重新释放出来的大多是蓝光和紫光，所以人们能看到的就是蓝色。

阳光遇到大气层中的大颗粒时，这些大颗粒起的作用就像是一面镜子。天上的云就是由这些大颗粒组成的，这些大颗粒就是没有颜色的小水珠。白色的阳光照到这些水珠上时，它们就像镜子一样将光线反射或折射出来，而被反射或折射出来的光线颜色不变。这就是我们看到的蓝蓝的天上飘着白云的原因。

2．大气的散射现象

根据中学物理课本的介绍和前面的分析知道，来自太阳的白光是多种单色光的混合光，牛顿用棱镜将太阳光分离成不同的单色光的实验早已证明了这一点。

纯单色的光其实是某一固定频率的电磁波，不同的单色光的颜色则由其不同的电磁频率所决定。对人眼而言，可见光的波长分布为720～380纳米，依次是红、橙、黄、绿、蓝、靛蓝和紫色的光。

关于散射的概念，可以从图12－1得到一个直观的印象。

图12－1　光的散射

在一个透明玻璃容器中盛满牛奶或肥皂的混浊液，使一束白光通过这个混合液容器，从容器的侧面看到有蓝光散射出，表明散射光中波长较短的光波较多；而迎着光则看到光呈红色，表明透射光中波长较长的光波较多。这种线度小于光的波长的微粒对入射光的散射，叫瑞利散射。

最早研究这一现象的瑞利（1842～1919）等科学家都认为天空的蓝色是由大气中的灰尘微粒和水蒸气小液滴散射所引起的，甚至今天许多人还错误地认为主要是由这一原因造成的（见图12－2）。但如果是这样的话，天空的颜色就会随着大气的湿度或烟雾的情况发生变化，这与我们观察到的现象不相符合。当然，近地面的灰尘与水汽等对太阳光还是有散射作用的。

这一问题最终是由爱因斯坦在1911年解决的，他通过深入的研究得知，分子能够散射光是由于光波的电磁场降低了电子的偶极矩。他找到了分子散射对应光的具体公式，而且与实际符合得很好。实际上，空气中的氧分子和氮分子就足以引起光的散射了，由于不规则的分子运动，在大气中不断形成不均匀的疏密部分，因而使太阳光散射。

图12－2　水面反射蓝天的颜色

另一个值得注意的问题是，如果波长越短散射越厉害的话，那为什么天空的颜色不是可见光中波长最短的紫色而是蓝色呢？实际上，来自太阳光的各种波长的光的数量并不是一成不变的，一部分在经过大气层上层时被吸收，其中紫光附近被吸收掉的数量最多。另外一个原因与视觉功能有关。在人的视网膜中有三种不同的接收元，它们分别对红、蓝、绿三色感觉特别敏感，负责绿光的接收元能最强感应到绿光，此外也感应绿蓝光和黄光，而蓝光的接收元则受到蓝光附近光的刺激而被感应到。可见，眼睛对少量的紫光并不敏感，但如果没有靛蓝色和紫色，天空的蓝色就会带一点轻微的绿色。

清晨日出或傍晚日落时太阳特别红，是因为此时太阳光几乎平行于地面，穿过的大气层最厚，所以波长较短的蓝紫光几乎都朝侧向散射，仅剩下波长较长的红光到达观察者，加之近地面的尘埃增强了散射作用，于是人们看到了蓝蓝的天和反射红红的太阳光的云朵（朝霞或晚霞）。如果没有大气的存在，太阳光将直达观察者的眼睛，此时没有散射的介质存在，天空将是黑色的，就像宇航员从太空中看到的天空一样。

当然，天空的颜色直接与大气的厚度及成分有关，例如从火星上看到的天空是红色的，这是火星上经常出现的尘暴中充满了富含铁的沙尘的缘故。在没有沙尘暴出现时，火星上的天空也会呈现蓝色，但要比地球上的蓝天更暗一些，这是火星的大气层较薄，从而散射掉的蓝光相对较少的缘故。同样，我们的大气在受到严重污染时，天空的颜色也会有变化。人们可据这一信息来测控环境污染。

此外，云中的小水滴和烟中的固体颗粒的直径一般要比可见光中的波长长，于是白光照射时，对几乎所有的光都产生Mie散射，观察者看到的云与烟呈白色。但有的山区却存在蓝雾，这是由于茂盛的植物在生长过程中放出一种烃，在大气中形成的微粒正好可以散射蓝光而造成的。