天為什麼是藍色的？

藍天白雲多漂亮

這是由於空氣對太陽光散射造成的。太陽光是廣譜的，包含紅外線、可見光、紫外線。它的能量集中於以黃色光為中心的可見光。可見光又可分成紅、橙、黃、綠、青、藍、紫等不同顏色。這些不同顏色的光線合在一起在我們的眼中產生了白色的視覺。所以太陽光的本色是白色。空氣對穿過它的光線有散射作用。通過空氣的光線會有一部分偏離原來的運動方向而離開了原來的光束，且光的波長越短（波長短的光對應於偏藍的光，波長長的光對應於偏紅的光）散射作用越大。太陽光穿過空氣時偏藍的光散射的多，偏紅的光散射的少。這就是為什麼天空是藍色的原因。同時，這也是日出或日落時太陽為紅色或橙黃色的原因。有人會問，紫光的波長比藍光的波長更短，天空為什麼是藍的而不是紫的？雖然說光的波長越短，被散射的越多。但是被散射的光線裡還是各種波長的都有。就是說散射的光線裡包含紅、橙、黃、綠、青、藍、紫等各種顏色。這些光線綜合在一起，在我們的眼中形成了天藍色的

上帝裝修的結果

藍藍的天空白雲飄”。對這種美麗的景色，相信大家都有所感受。那麼天空為什麼是藍色的?雲為什麼是白色的?對於這種奇妙的物理現象，並不是所有人都能說出原因。事實上，我們所觀賞的這一美麗景象是天空中的大氣分子、水滴、其他微粒和陽光共同作用的結果。

一、空氣和太陽光
為了解釋這種物理現象，首先簡單了解一些空氣和太陽光的知識。空氣是在地球外面包裹著的一層“防彈衣”，保護著地球上生物不受紫外線的照射。空氣並不是空的，是由很多的微粒組成。其中99％是氮氣和氧氣，其余則是別的氣體(如二氧化碳、惰性氣體等)、小水滴和來源於工廠的粉塵、風中的揚沙、火山爆發的巖灰等漂浮微粒。但是空氣的成分並不是固定的，這依賴於所在的位置、天氣和其他的不固定因素(如森林、海洋以及火山爆發和污染的嚴重與否)。
光是能量以電磁波傳播的一種方式，在真空中的傳播速度為每秒30萬千米。光和其他波(比如聲波)不同的是具有波粒二象性。這是因為光是由一種無質量的粒子——光子組成，所以光不但具有波的特性，還有粒子的特性。光傳遞能量的大小與光的頻率成正比，而光的頻率正好決定其顏色。但我們的眼睛只能看到其中特定頻率范圍內的光，稱之為可見光，頻率過高(紫外線)和過低(紅外線)，我們都看不見。
對於太陽光，牛頓首先用三稜鏡發現其中包含著赤、橙、黃、綠、藍、靛和紫7種顏色。可以用一個小實驗(如圖1所示)即可觀察到“七彩陽光”。取裝入水的玻璃缸放在房子中陽光入射的地方，然後在水中放一面小鏡子，用一張白紙接收從盆中小鏡子反射的光，根據光的折射原理，即可從白紙上看到一個漂亮的人造彩虹。在7種不同的光中，紅光波長最長(頻率最低)，紫光波長最短(頻率最高)。我們肉眼所看到的是它們的混合結果。

二、天空為什麼是藍色的
除非有外界干擾，光都是以直線傳播的。當光在空氣中傳播時，不可避免要遇到空氣中的氣體分子和其他微粒。這些微粒對光有吸收、反射和散射等物理作用，正是這些物理作用使得晴日裡天空成為蔚藍色。

正確解釋天空為什麼是藍色始於1859年。科學家泰多爾首先發現藍光要比紅光散射強得多，這就是“泰多爾效應”。幾年之後，科學家瑞利更詳細地研究了這種現象，他發現散射強度與波長的4次方成反比。後來，更多科學家稱這種現象為“瑞利散射”。瑞利散射很容易通過下面一個小實驗來驗證(如圖2所示)：用一個盛滿水的水杯，然後往水杯中滴入幾滴牛奶，用手電筒做光源，從水杯的一側照射，從水杯的另一側看到的是紅光，而從垂直於光線的方向看到的卻是藍色(在黑暗處效果更明顯)。
當時，泰多爾和瑞利都認為天空的藍色是由於空氣中有小的粉塵微粒和小水滴所致，這些小的粉塵微粒和小水滴就類似於水中的牛奶懸浮顆粒。即便今天，也有許多人這樣認為。事實上並非如此，如果天空完全是由於小的粉塵微粒和小水滴引起的，那麼天空的顏色將隨著濕度而變，事實上天空的顏色隨著濕度的變化非常小，除非下雨或者烏雲密布。後來科學家猜測用空氣中的氮氣和氧氣分子足以解釋天空中的“泰多爾效應”。這種猜測最終被愛因斯坦所證實，他對這種散射效應作了詳細的計算，並且計算結果與實驗相符合。
我們所看到的藍天是因為空氣分子和其他微粒對入射的太陽光進行選擇性散射的結果。散射強度與微粒的大小有關。當微粒的直徑小於可見光波長時，散射強度和波長的4次方成反比，不同波長的光被散射的比例不同，此亦成為選擇性散射。當太陽光進入大氣後，空氣分子和微粒(塵埃、水滴、冰晶等)會將太陽光向四周散射。組成太陽光的紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫7種光中，紅光波長最長，紫光波長最短。波長比較長的紅光透射性最大，大部分能夠直接透過大氣中的微粒射向地面。而波長較短的藍、靛、紫等色光，很容易被大氣中的微粒散射。以入射的太陽光中的藍光(波長為0.425μm)和紅光(波長為0.650μm)為例，當光穿過大氣層時，被空氣微粒散射的藍光約比紅光多5.5倍。因此晴天天空是蔚藍的。但是，當空中有霧或薄雲存在時，因為水滴的直徑比可見光波長大得多，選擇性散射的效應不再存在，不同波長的光將一視同仁地被散射，所以天空呈現白茫茫的顏色。
如果說短波長的光散射得更強，你一定會問為什麼天空不是紫色的。其中一個原因就是在太陽光透過大氣層時，空氣分子對紫色光的吸收比較強，所以我們所觀測到的太陽光中的紫色光較少，但並不是絕對沒有，在雨後彩虹中我們很容易觀察到紫色的光。另外一個原因和我們的眼睛本身有關。在我們的眼睛中，有3種類型的接收器，分別稱之為紅、綠和藍錐體，它們只對相應的顏色敏感。當它們受到外界的光刺激時，視覺系統會根據不同接受器受到刺激的強弱重建這些光的顏色，也就是我們所看到物體的顏色。事實上，紅色錐體和綠色錐體對藍色和紫色的刺激也有反映，紅錐體和綠錐體同時接受到陽光的刺激，此時藍錐體接收到藍光的刺激較強，最後它們聯合的結果是藍色的，而不是紫色的。

在我們地球的上空，包著一層厚厚的大氣層。空氣是沒有顏色的，那藍色是從哪裡來的呢？
太陽光經過光的色散形成了七種顏色：紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫。紅光最強，橙、黃、綠也比較強，最弱的是藍、靛和紫。當太陽光透過厚厚的大氣層時，紅光跑得最快，一下子穿過去了；跟著橙、黃、綠光也闖過去了；藍、靛光的大部分卻被大氣層扣留下了，它們被大氣層裡的浮塵、水滴推來搡去，反射來反射去的（終而進入我們的眼睛）結果就看到天空成藍色的了。
在地面上看天空是藍色的，要是乘在飛機上往外看天空，天空更藍了；如果乘在宇宙飛船到更高的地方看天空，那麼天空不是藍色的，而是紫色的，因為最最弱的紫光，它們的大部分連大氣層的頭道門都進不來。
天空本是沒有顏色的，由於太陽光的色散，它有了色彩。而這也是夜晚的天空為什麼看起來是黑的原因。到了夜晚，太陽光照不到這一半地球的天空，沒有了強烈的陽光，天空就沒有了色彩，有的，只是黑色。當然咯，也是有月亮和星星的光的，但月亮本不會發光，月亮的光是反射太陽光的，當然不明亮，而星星都離我們太遠，於是我們看到的夜空，也就不會像白天的那樣亮了。

誰都知道，空氣是無色的，那為什麼天空在晴朗時，卻是藍色的呢？為了解答這個問題，我們不妨做一個小實驗：
用一只長方形的玻璃缸，盛大約2/3的水，向水中撒少許泥沙粉末攪拌，使溶液渾濁。選擇一個晴朗的上午，大約7、8點鐘。陽光基本上平行射向玻璃缸的一端，光線通過渾濁的水，在另一端透射過來。這時你可以發現一個很有趣的現象：長玻璃缸中的水呈現出淡藍色，而另一端射出來的光線卻呈淺紅色和橙黃色。為什麼出現這樣一種現象呢？
原來，玻璃缸中出現淡藍色與天空出現蔚藍色的其中原理是一樣的。地球的表面包圍著一個大氣層，空氣中含有許多微小的塵埃、冰晶和水滴等。在太陽光紅、橙、黃、綠、青、藍、紫七色光中，波長較長的光，紅光、橙光等輻射到大氣中，遇到空氣中塵埃時，透射力最強，不會發生散射現象，能透過大氣的微粒直射向地面。而波長較短的紫光、藍光等很容易被懸浮在空氣中的微粒向四面八方散射開來。散射現象改變了太陽輻射的方向，使天空變的亮堂起來。散射力越強，天空越藍。雷雨電閃一過，天空頓時異常湛藍，令人心曠神怡。傍晚，陽光要穿過厚厚的大氣層，藍光、紫光幾乎被散射掉了，剩下紅光、橙光透過大氣射入我們的眼睛。所以，傍晚時分，我們會看到紅彤彤的太陽。
這就是天空為什麼是藍色的道理？