Question

为什么天空是蓝色的

Answer 1

“蓝蓝的天空白云飘”。对这种美丽的景色，相信大家都有所感受。那么天空为什么是蓝色的?云为什么是白色的?对于这种奇妙的物理现象，并不是所有人都能说出原因。事实上，我们所观赏的这一美丽景象是天空中的大气分子、水滴、其他微粒和阳光共同作用的结果。　　一、空气和太阳光　　为了解释这种物理现象，首先简单了解一些空气和太阳光的知识。空气是在地球外面包裹着的一层“防弹衣”，保护着地球上生物不受紫外线的照射。空气并不是空的，是由很多的微粒组成。其中99％是氮气和氧气，其余则是别的气体(如二氧化碳、惰性气体等)、小水滴和来源于工厂的粉尘、风中的扬沙、火山爆发的岩灰等漂浮微粒。但是空气的成分并不是固定的，这依赖于所在的位置、天气和其他的不固定因素(如森林、海洋以及火山爆发和污染的严重与否)。　　光是能量以电磁波传播的一种方式，在真空中的传播速度为每秒30万千米。光和其他波(比如声波)不同的是具有波粒二象性。这是因为光是由一种无质量的粒子——光子组成，所以光不但具有波的特性，还有粒子的特性。光传递能量的大小与光的频率成正比，而光的频率正好决定其颜色。但我们的眼睛只能看到其中特定频率范围内的光，称之为可见光，频率过高(紫外线)和过低(红外线)，我们都看不见。　　对于太阳光，牛顿首先用三棱镜发现其中包含着赤、橙、黄、绿、蓝、靛和紫7种颜色。可以用一个小实验(如图1所示)即可观察到“七彩阳光”。取装入水的玻璃缸放在房子中阳光入射的地方，然后在水中放一面小镜子，用一张白纸接收从盆中小镜子反射的光，根据光的折射原理，即可从白纸上看到一个漂亮的人造彩虹。在7种不同的光中，红光波长最长(频率最低)，紫光波长最短(频率最高)。我们肉眼所看到的是它们的混合结果。　　二、天空为什么是蓝色的　　除非有外界干扰，光都是以直线传播的。当光在空气中传播时，不可避免要遇到空气中的气体分子和其他微粒。这些微粒对光有吸收、反射和散射等物理作用，正是这些物理作用使得晴日里天空成为蔚蓝色。
　　正确解释天空为什么是蓝色始于1859年。科学家泰多尔首先发现蓝光要比红光散射强得多，这就是“泰多尔效应”。几年之后，科学家瑞利更详细地研究了这种现象，他发现散射强度与波长的4次方成反比。后来，更多科学家称这种现象为“瑞利散射”。瑞利散射很容易通过下面一个小实验来验证(如图2所示)：用一个盛满水的水杯，然后往水杯中滴入几滴牛奶，用手电筒做光源，从水杯的一侧照射，从水杯的另一侧看到的是红光，而从垂直于光线的方向看到的却是蓝色(在黑暗处效果更明显)。　　当时，泰多尔和瑞利都认为天空的蓝色是由于空气中有小的粉尘微粒和小水滴所致，这些小的粉尘微粒和小水滴就类似于水中的牛奶悬浮颗粒。即便今天，也有许多人这样认为。事实上并非如此，如果天空完全是由于小的粉尘微粒和小水滴引起的，那么天空的颜色将随着湿度而变，事实上天空的颜色随着湿度的变化非常小，除非下雨或者乌云密布。后来科学家猜测用空气中的氮气和氧气分子足以解释天空中的“泰多尔效应”。这种猜测最终被爱因斯坦所证实，他对这种散射效应作了详细的计算，并且计算结果与实验相符合。　　我们所看到的蓝天是因为空气分子和其他微粒对入射的太阳光进行选择性散射的结果。散射强度与微粒的大小有关。当微粒的直径小于可见光波长时，散射强度和波长的4次方成反比，不同波长的光被散射的比例不同，此亦成为选择性散射。当太阳光进入大气后，空气分子和微粒(尘埃、水滴、冰晶等)会将太阳光向四周散射。组成太阳光的红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫7种光中，红光波长最长，紫光波长最短。波长比较长的红光透射性最大，大部分能够直接透过大气中的微粒射向地面。而波长较短的蓝、靛、紫等色光，很容易被大气中的微粒散射。以入射的太阳光中的蓝光(波长为0.425μm)和红光(波长为0.650μm)为例，当光穿过大气层时，被空气微粒散射的蓝光约比红光多5.5倍。因此晴天天空是蔚蓝的。但是，当空中有雾或薄云存在时，因为水滴的直径比可见光波长大得多，选择性散射的效应不再存在，不同波长的光将一视同仁地被散射，所以天空呈现白茫茫的颜色。　　如果说短波长的光散射得更强，你一定会问为什么天空不是紫色的。其中一个原因就是在太阳光透过大气层时，空气分子对紫色光的吸收比较强，所以我们所观测到的太阳光中的紫色光较少，但并不是绝对没有，在雨后彩虹中我们很容易观察到紫色的光。另外一个原因和我们的眼睛本身有关。在我们的眼睛中，有3种类型的接收器，分别称之为红、绿和蓝锥体，它们只对相应的颜色敏感。当它们受到外界的光刺激时，视觉系统会根据不同接受器受到刺激的强弱重建这些光的颜色，也就是我们所看到物体的颜色。事实上，红色锥体和绿色锥体对蓝色和紫色的刺激也有反映，红锥体和绿锥体同时接受到阳光的刺激，此时蓝锥体接收到蓝光的刺激较强，最后它们联合的结果是蓝色的，而不是紫色的。　　三、你看到过蓝色的太阳吗?　　你也许会说为什么我们看到的太阳不是蓝色的。这是因为我们直接看太阳时，眼睛接受的太阳光是通过“迈以散射”的光，而不是瑞利散射的光。迈以散射是当光遇到比其波长要大的微粒时所发生的一种散射，对光的波长几乎没有什么依赖，不改变原有光的成分。而且迈以散射的光具有前向性，绝大部分光仍然沿着原来的方向传播。对所有的光都有同样的作用。　　在我们直接看太阳时，看到的是略带浅黄的圆盘。浅黄色是因为在这个过程中有一部分光发生了瑞利散射，蓝光都散射出去了，剩下红、橙、黄和绿光，只是和迈以散射比较起来，这个散射过程较弱，所以太阳看起来是稍微有些浅黄色的。但是在沙尘暴天气，由于空气中微粒很多，瑞利散射占主要地位，我们有可能看到蓝色的太阳。　　四、夕阳为什么是红色的　　当太阳将要落山时，太阳光穿透大气层到达观察者所经过的路程要比中午时长得多，更多的光被散射和反射，所以光线也没有中午时明亮。因为在到达所观察的地方，波长较短的光——蓝色和紫色的光几乎已经散射怠尽，只剩下橙色和红色的光，所以随着太阳慢慢落下，天空看起来也从橙色变成红色。同样道理，当太阳升起的时候，也是橙色或者红色的。　　五、云为什么是白色的　　天空中的云是小水滴和空气中的粉尘组成的，它们的直径要比太阳光的任何一种颜色的光的波长都要长得多，所以发生瑞利散射的情况很少。一部分阳光被反射到空中；一部分发生迈以散射，然后散射的光射到地球，但迈以散射不改变太阳光中任何颜色的光；还有一部分直接穿透水滴之间的缝隙。上述3种情况都对阳光的成分没有影响，所以看上去天空中的云是白色的。但是当云层越来越厚时，小水滴越来越多，几乎连成一片，太阳光和迈以射散的光不能或者很少能穿透云层，这时白云就变成乌云了。　　正是在太阳光通过大气层入射到地球表面的过程中，大气层中的空气分子或其他微粒会对阳光有吸收，反射、透射等作用，从而形成了蓝天、白云和绚丽的落日余辉和晨时朝霞。如果没有大气层和其他微粒，即使是白天，太阳看上去也只是一个孤零零的明亮的球，天空也将是漆黑一片，所以空气不但给我们提供了赖以生存的条件，也使我们的天空变得多姿多彩。太阳真的在动吗?太阳在宇宙中不是静止的，相反，它在以不同的方式运动。首先，由于行星都有质量，太阳围绕太阳系的重心转动；其次，它和整个太阳系一起以250千米/秒的速度围绕着银河系的重心转动；再次，它和整个银河系一起以300千米/秒的速度在本星系群内运动；此外，它还在自转。
(《科学世界》2004年第11期)
链接　　问：为什么在下雨的地方彩虹呈弧形而不是彩色的一大片?　　答：当太阳光线进入雨滴，从雨滴的内表面反射出来时，彩虹就形成了。只要光线从一个媒介，比如空气，进入另一个媒介，比如水，它就会改变路径，这叫做折射。光线路径弯曲的大小取决于它所通过的物质以及波长，也就是光的颜色。所以当太阳光进入雨滴时，它所包含的不同光线的弯曲程度是不同的：红色最小，紫色最大。因此从雨滴里显现出来的是各种颜色，每一种颜色的弧度大约都在40～42度之间。每一滴被太阳光照着的雨点都会发生这样的情况，但是我们只能在某些雨滴中看到彩虹，它们的弧度是40～42度，正好将它们的光线传送到我们的眼睛里。这些符合条件的雨滴形成了一个圆圈，它的一部分常常被地平线切断。留在地平线以上的就是我们所说的美丽的彩虹。
(《参考消息》2004年3月7日)

Answer 2

天空为什么是蓝色的？

首先你得明白一个道理：我们周围的事物之所以显现出颜色来，仅仅是因为阳光照射着它们。虽然阳光看上去是白色的，但是所有的颜色：赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫，在阳光里都存在。

天空里有这么多颜色，为什么我平时看到的只有蓝色呢？你可能会问。

如果你把光线设想为波浪，你就会猜破这个谜了。光其实是像一个波浪那样在运动的。我们来设想一下一滴雨落在一个水洼里的情景。当这滴雨落到水面上时，就会产生小波浪，波浪一起一伏地变成更大的圈，向着四面八方扩展开去。如果这些波浪碰上一块小石子或一个别的什么障碍物，它们就会反弹回来，改变了波浪的方向。

而阳光从天空照射下来，一样会连续不断地碰到某些障碍。因为光所必须穿透的空气并不是空的，它由很多很多微小的微粒组成。其中百分之九十九不是氮气便是氧气，其余则是别的气体微粒和微小的漂浮微粒，来源于汽车的废气、工厂的烟雾、森林火灾或者火山爆发出来的岩灰。虽然氧气和氮气微粒只是一滴雨水的一百万分之一，但是它们也照样能阻挡阳光的去路。光线从这些众多的小“绊脚石”上弹回，自然也就改变了自己的方向。

可是那么多颜色的光改变了方向，为什么只有蓝色被看到呢？你可能还是不明白。

我们还得回到刚才说的那个水洼里。

水洼里，小的波浪遇到小石子的话，水面便被搞得混乱不堪；但如果是一个“巨浪”，像你用手在水洼边掀起的那种“巨浪”，它就有可能干脆从石头上溢过去，并畅通无阻地到达水洼的对面边缘。那么，就像有大波浪和小波浪一样，各种各样颜色的光波也有不同的“波浪”，也就是波长：不过它们可不像水波的波浪，用肉眼是看不出它们的大小的，因为它们小得难以想像，只是一根头发的一百分之一！得用很灵敏的测量仪表才可以精确地测定出来。

根据科学家的测定，蓝色光和紫色光的波长比较短，相当于“小波浪”；橙色光和红色光的波长比较长，相当于“大波浪”。当遇到空气中的障碍物的时候，蓝色光和紫色光因为翻不过去那些障碍，便被“散射”得到处都是，布满整个天空—天空，就是这样被“散射”成了蓝色。

发现这种“散射”现象的科学家叫瑞利，他是在130年前发现的，他也是诺贝尔奖获得者。

用“散射”现象，你就可以解释下面这些天象了：

比如在你头顶的天空是蓝色的，可是在地平线—天地相接的地方，天空看上去却几乎是白色的。为什么？就是因为阳光从地平线到你这个地方比起它直接从空中落下来，需要在空气中走的路程要远得多—而在一路上它所擦过的微粒子也自然就要多得多。这些大量的微粒子就这样多次散射出光，所以它显得白中透着淡蓝。建议你做一个小实验来验证一下：拿一杯水，把它放在一个黑暗的背景里，放进一滴牛奶，再拿一只手电筒照射杯子的一端，并靠近它，手电筒的光在水中即会显现出淡蓝色。如果你往水里放进的牛奶越多，水就越白，因为光一再地受到这些众多的牛奶微粒的散射，结果就是白色的。道理跟在地平线上空是白色的一样。

太阳落山时的傍晚，天空不显现蓝色而显现红色，正在下落的太阳也变成暗红色，也是一样的道理。由于傍晚的光在照射到你这个地方的路上所遇到的众多的微粒，使得阳光中的紫色的和蓝色的部分往四面八方散射开去，仅留下一点点使你的肉眼看得见的橙红色光线—因为它们的波长长、“波浪大”，翻过了路上的障碍。

不过，细心的你会发现，天穹在落日后也还会在一段时间内呈现深蓝色。这也曾经是科学家们关心的一件怪事，不过几个物理学家已经在50年前揭开了这个谜：导致黄昏时天空的蓝色，是一种特别的物质。这种特别的物质在离地球表面20至30公里的高空处聚集成厚厚的一个层面，叫臭氧层。这种气体对正在下落的太阳光起到像颜色过滤器那样的作用：它截获太阳光中的黄色和橙色的部分，却几乎无阻拦地让蓝色的部分通过。当最后的少许光消失时，所有的颜色才消失在黑暗的夜色中。

臭氧不仅导致黄昏的蓝色天空，还吞下一种你无法看见的特殊的光线：紫外线的光，或称紫外线。你一定曾经听说过，紫外线对所有的生物（当然也包括对你）有多么危险。如果它在你的裸露的皮肤上照射得太长久，你就会得晒斑。臭氧层到处都有足够的厚度能截获尽可能多的紫外线：这对于我们这个星球上的全体生命来说，是极其重要的。

可惜，在今天，这个生命攸关的保护层在许多地方都已经变薄了，在南极上空甚至已经形成了一个大的空洞。而破坏臭氧的凶手就是“氟里昂”—一种人们用来喷洒护发摩丝或用在冰箱和空调上制冷的物质。这是一种对臭氧层特别有害的物质，所以许多国家已经不再使用这种“臭氧杀手”了。

今天我们学到了为什么我们眼中的天空是蓝色的。其实从地球以外望过来也是一样：覆盖我们地球三分之二面积的海水也散发着蓝光，陆地上虽然有土地的褐色或森林的绿色，然而上空却总是蓝色的—从宇宙中看来，整个地球都被裹着一块轻柔的蓝色面纱。从大气层外看见过地球的天文学家报道过这一情况。

所以地球被称做“蓝色星球”是完全正确的。它那独特的蓝色，就是生命的颜色。

Answer 3

在晴朗的天气里空气中会有许多微小的尘埃、水滴、冰晶等物质，当太阳光通过空气时太阳光中波长较长的红光、橙光、黄光都能穿透大气层，直接射到地面，而波长较短的蓝、紫、靛等色光，很容易被悬浮在空气中的微粒阻挡，从而使光线散射向四方，使天空呈现出蔚蓝色。
实际上发生散射的蓝光只是一小部分，大部分没有遇到微粒的蓝光、紫光还是直接射到了地球上，所以射到地球上的白光中仍然是红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。
当大雨过后，你是否注意过天会更蓝，越是晴朗的天气，天越蓝，这是因为这样的天气里，空气中的尘粒、小滴、冰晶的数量会很多。

地球上空，包着一层厚厚的大气层。空气是没有颜色的，那蓝色是从哪儿来的呢？难道是有人染上去的？对！是 "染"上去的，是太阳光"染"上去的。

大气层中，红光跑得最快，一下子穿过去了；跟着，橙、黄、绿光也闯了过去；蓝、靛光的大部分却被大气层扣留住了，它们被大气层里的浮尘、水滴推来搡去，反射来反射去，结果把大气层 "染"成蓝色了。

在地面上看天空，天空是蓝色的；要是坐在飞机上看天空，天空就更蓝了；如果坐在宇宙飞船上看天空，天空就是紫色的了。因为最弱的是紫光，它们大多数连大气层的头道门都进不来呢。

这是因为太阳光线射人大气层后，遇到大气分子和悬浮在大气中的微粒发生散射的结果。波长较短的紫、蓝、青色光波最容易被散射，而波长较长的红、橙、黄色光的透射能力较强，它们能穿过大气分子和微粒，保持原来的方向前进，很少被空气分子散射。对下层空气分子来讲，主要是蓝色光被散射出来，因而天空呈蔚蓝色。
天空的蓝色只是在低空才能看见，随着高度的增加，由于空气越来越稀薄，大气分子的数量急剧减少，分子散射出的光辉逐渐减弱，天空的亮度越来越暗，到20千米以上的高度，散射作用几乎看不出来，天空就成黑色的了。

Answer 4

首先了解光的工作原理，光从太阳传播时，像海浪一样上下移动，波长聚集在一起时，我们看起来好像是白色。

Answer 5

阳光中蓝光波长最短，被折射