蓝色的天空，日出或日落的太阳，都可以用科学的方法来解释这是为什么。图片版权：Robert Villalta / Pexels
【博科园-科学科普】一个好奇的孩子经常问的第一个问题是：为什么天是蓝色的？然而不管这个问题有多普遍，还是有很多误解和错误的答案：因为它反应了海洋，因为氧是蓝色的气体，因为阳光是蓝色的，而正确的答案经常被忽视。事实上天空之所以是蓝色的原因是因为三个简单的因素组合在一起：阳光是由许多不同波长的光组成的，地球的大气层是由分散不同波长光的分子组成的，它们的大小不同，我们的眼睛也很敏感，把这三件事放在一起，蓝色的天空就不可避免的呈现了。
由太阳发出的许多不同波长的光，并不是所有都可见。大气会以不同的方式影响每一个独特的波长，从而产生我们所能观察到的多谱光学现象。图片版权：Negative Space / Pexels
阳光是由所有不同颜色的光组成的……我们的太阳的光球层非常热，接近6000 K，它发出一种广谱的光从最高能量的紫外线到可见的，从紫色到红色，然后深入到光谱的红外部分。最高的能量光也是短波波长(和高频)光，而较低能量的光有较长波长(和低频率)而不是高能的。当你看到一个棱镜将太阳光分解成它的各个组成部分时，光产生分裂的原因是由于红光的波长比蓝色光长。
一种由棱镜分散的连续光束的示意动画。如果你有紫外线和红外线眼睛，你就能看到紫外线的弯曲程度甚至超过了紫/蓝色的光，而红外光的弯曲度要比红光低。图片版权：LucasVB / Wikimedia Commons
在我们的日常生活中不同波长的光反应不同与物质的反应是极其重要和有用的。微波炉上的大洞允许短波长的可见光出入，但要保持较长波长的微波光反射它。太阳镜上的薄涂层反射紫外线、紫色和蓝光，但允许长波长的绿色、黄色、橙色和红色穿过。这些微小不可见的粒子组成了我们的大气层——像氮、氧、水、二氧化碳和氩原子一样的分子，它们都散射所有波长的光，但更有效地散射短波波长的光。
当太阳高高在上的时候，天空朝向天顶的是一种深蓝色，而地平线上的天空是一种明亮的青色。这是由于大气层以及散射光在天空的低角度可见。图片版权：KarstenKettermann / Pixabay
因为这些分子比光本身的波长要小得多，所以光波长越短，它散射的越好。事实上它在数量上遵循一种叫做瑞利散射的定律，它告诉我们在人类视觉的短波波长范围内的紫光，比在长波长范围内的红光多出9倍多。(波长的散射强度成反比的四次方:我∝λ-4)。当阳光照射在地球大气层的每一个角落的时候，光的红光波长只会有11%的散射，所以在你的眼睛里就像紫色的光一样。
如图所示一些乳白色物质类似的瑞利散射特性到大气中。白光照亮了右上方的这块石头，石头本身散射了蓝光，但允许橙色/红光优先通过未被阻止的光线。图片版权：optick / flickr
当太阳在天空高时这就是为什么整个天空是蓝色的。它在离太阳较远的地方看起来更亮，因为在这些方向上有更多的大气层(因此更多的蓝光)。在任何方向上，你都能看到从阳光中发出的散射光，照亮了你眼睛和外太空之间的整个大气层。这对天空的颜色有一些有趣的影响，这取决于太阳的位置和你在看的地方。
在日出前或日落后的天空中，可以看到各种颜色的光谱，这是由于阳光的散射造成的。图片版权：Public domain
如果太阳在地平线以下光就必须穿过大量的大气层。蓝色的光分散在各个方向，而红光则不太可能散射，这意味着它会到达你的眼睛。如果你在日落或日出之前乘飞机，你就能看到这种效果的壮观景象。
正如2010年5月在国际空间站的日落时所看到的地球的大气层那样。图片版权：NASA/ ISS
从太空描述和宇航员返回的图像来看，这是一个更好的视角。
由于有大量的大气当它接近地平线时太阳(或月亮)的光会发生巨大的变化。离太阳越远，天空越变蓝。图片版权：Max Pixel / FreeGreatPicture
在日出/日落或月升/月日落时，来自太阳(或月亮)的光必须经过大量的大气层，离地平线越近，光线穿过的大气层就越多。当蓝光散射到各个方向时，红光散射的效率要低得多。这意味着两个光从太阳或月亮的磁盘本身变成了红色的颜色,但也从附近的太阳和月亮的光线——撞到大气和散射的光到达我们的眼睛——之前只有一次优先发红了。
在这幅图中俄勒冈州的马德拉斯(Madras)看到的全食，看到了太阳的壮观景象。图片版权：Rob Kerr/AFP/Getty Images
在日全食时当月亮的影子落在你身上，遮挡阳光直射到你周围的大片区域时，地平线就会变成红色，而不是别的地方。在全食的路径上，光线照射在所有的方向上，这就是为什么在大多数地方，天空仍然是蓝色的。但在视界附近，那些分散在各个方向的光很可能在到达你的眼睛之前再次散射。红光是最可能穿过的光的波长，最终超过了更有效的散射蓝光。
瑞利散射对蓝光的影响比红光更严重，但可见光波段的紫光最分散。只是由于我们的眼睛的敏感度，天空呈现蓝色而不是紫色。图片版权：Dragonsflight/ KES47 of Wikimedia Commons
所以尽管如此，你可能还有一个问题:如果波长较短的光线更有效地散射，为什么天空不会呈现紫色?事实上，有更多的紫光来自于大气而不是蓝色的光，但也有其他颜色的混合。因为你的眼睛有三种类型的视锥(用于检测颜色)，以及单色杆，这是所有四种需要在分配颜色时被你的大脑解释的信号。
根据三种视锥和(虚线)的单色杆，人眼的光反应统一化。图片版权：George Wald / Hektoen International Journal
每一种锥体，加上杆对不同波长的光都很敏感，但它们都在一定程度上受到天空的刺激。我们的眼睛对蓝色、青色和绿色波长的反应比对紫罗兰更强烈。即使有更多的紫光，也不足以克服我们大脑传递的强烈的蓝色信号。
大气中气体的引力导致了巨大的表面压力，导致了液体海洋的上升。图片版权：NASAGoddard SpaceFlightCenter Image by Reto St?ckli, Terra Satellite / MODIS instrument
这是三个因素的结合：
1、阳光是由许多不同波长的光组成的
2、大气中的粒子非常小，分散的短波波长的光比长波波长的光更有效
3、我们的眼睛对各种颜色都有反应
这使得天空对人类来说是蓝色的。如果我们能非常有效地看到紫外线，天空就会出现更多的紫色和紫外线;如果我们只有两种类型的视锥(像狗)，我们可以看到白天的蓝天，而不是红色、橙色和日落的黄色。但别被愚弄了：当你从太空看地球时它也是蓝色的，但大气层与它无关！
作者：EthanSiegel（天体物理学家）
来自：Forbes science
编译：中子星
审校：博科园
