天空为什么是蓝色,用物理学解释天空为什么是蓝色的

 

 

这是一个家长们每天都会被问到的问题，并且是一个很棒的问题。

有些人觉得天空是蓝色是因为阳光将大海反射到天空里。但是天空在大陆内部也是蓝色，附近没有一处海洋的地方！

 

 

还有一些人以为原因是空气中的水分子，然而天空在极其干燥的地方也是蓝色，比如在沙漠。

 

 

利比亚撒哈拉沙漠上空的蔚蓝天空

那么，真正的原因是什么呢？

蓝色天空的原因要说到阳光和大气相互作用的方式。

如果你曾经玩过三棱镜或是看到过彩虹，那你应该知道阳光是由不同颜色的光组成的，“ROY G. BIV”这个名字可以帮我们轻松记住这些颜色：红橙黄绿蓝靛紫。（注，ROY G. BIV取于颜色首字母：red, orange, yellow, green, blue, indigo, and violet.）

 

 

墨尔本郊区的彩虹，2017

这些可见光在电磁波谱中仅占非常小的一部分，电磁波还包括紫外线，微波和无线电波。这就意味着这些看不到的波导致皮肤晒伤，使我们可以加热食物，以及让我们可以听到电台广播，它们都是光的不同形式。

 

 

光谱，波长与实物大小的对比。

光以不同长度的波传播：有一些波长短，光的颜色更接近于蓝色，还有一些波长长，光的颜色更接近红色。当阳光到达我们的大气层时，空气分子散射了蓝色的光而让红色的光通过。科学家把这种现象叫做瑞利散射。

 

 

可见光光谱。每种颜色的光从红色到蓝色，波之间的距离越来越短。

当太阳高悬于天空时，它显示了它的真实颜色：白色。而当日出和日落时，我们则可以看到一个更红的太阳。这是因为阳光正在穿过一个更厚的大气层。这个过程中，蓝光和绿光都被散射掉，而更红的光线则通过并将云层染为很漂亮的红色，橙色和粉色。

 

 

2017年冬至日，红色的阳光照亮墨尔本傍晚的云

瑞利散射还会影响我们看到的月亮。当月亮在月全食期间穿过地球的阴影时，蓝色和绿色的光线散射在地球的大气层中，红色的光则可以穿过。地球的大气层就像一只放大镜，将红色的光折射在月球上。这使得月亮在此时染上一层怪异的暗红色。

就因为这个原因，在许多文化中，包括澳洲的土著，都会将月全食与血联系起来。

 

 

2003年五月15日，月全食期间暗红色的月亮

瑞利散射在其他星球上也扮演着同样的角色。你知道火星的天空也是蓝色吗？（当没有风暴将红色的灰尘扬进空气时，它确实是蓝色！）（译者注，事实上是白天是黄褐色，仅在日落时呈现灰蓝色，且火星空气稀薄，没有太多瑞利散射，反而灰尘大，以米氏散射为主，故天空颜色与散射角有关。）

 

 

1976年8月29日维京航天器拍摄到的火星天空

那么最后，天空是从哪里开始的呢？

这是一个很棘手的问题。一只鸟从50米的高度飞跃我们，看起来它应该是在空中。同样，飞机也是这样，但它们飞行高度超过10000米。

“天空”仅是我们在大气层底部仰望的大气。大气层的大部分向上延伸大约16千米，这也是大部分瑞利散射发生的地方。

如果你曾看到过火箭进入太空的视频，你可以看到当火箭穿过大气层时，蓝色的天空逐渐消退成为黑色的背景。

 

 

观看航天飞机发射。当航天飞机在地球大气层上方移动时，你可以看到天空从蓝色转为黑色。