天空为什么是蓝色的？

0 引言

在探讨“天空为什么是蓝色的？”这个神奇又有趣的问题前，我们先来聊聊物体的颜色，或者说我们为什么会看到颜色。其实物体本身并没有颜色，我们之所以能够看到颜色，是由于物体本身对太阳光的反射。太阳光是一种电磁波，太阳辐射包括了整个电磁波波谱范围。物体反射太阳光中的可见光波段的电磁波到我们的眼睛里，视网膜中的感光细胞将其接收并转化为神经信号，然后传递到大脑中，于是便形成了我们看到的物体颜色。

所以，我们能看到物体什么颜色，取决于物体反射什么样的电磁波（可见光波段）。

电磁波谱

1 大气对太阳辐射的作用

地球大气从垂直方向可划分为对流层、平流层、电离层和外大气层。不同的大气层有着不同的成分及特点。太阳辐射穿过大气，大气会对其产生多种作用，主要有：大气吸收、大气散射、大气反射和大气折射。

其中，大气吸收使得辐射能量衰减，大气散射使得辐射的能量和方向均发生改变，大气反射使得一部分辐射被反射到宇宙中，能量并不发生改变，大气折射仅改变辐射方向。

2 大气散射

电磁波在传播过程中遇到小微粒而使传播方向发生改变，并向各个方向散开，称散射。大气散射是大气对可见光波段的太阳辐射产生的主要作用。散射的方式随电磁波波长与大气分子直径、气溶胶微粒大小的相对关系而变，主要有米氏散射、均匀散射、瑞利散射等。

其中，当介质中不均匀颗粒直径与入射波长同数量级时，发生米氏散射；当不均匀颗粒直径时，发生均匀散射；当不均匀颗粒直径时，发生瑞利散射。

瑞利认为散射的强度：

式中：为电磁波强度，为入射电磁波振动方向与观察方向的夹角

由公式可知，散射强度与波长的四次方成反比。

3 天空为什么是蓝色的

在电磁波谱中，可见光波段的波长，由“红橙黄绿青蓝紫”的顺序依次递减，而散射强度与波长的四次方成反比，因此蓝光和紫光的散射强度较大。而一方面，大气对紫光的吸收能力很强，使得达到地面的紫光很少；另一方面，人眼睛感知光的方式，使得我们对于紫色不如蓝色敏感。从而，我们看到晴朗的天空呈现蓝色。

在清晨，太阳光通过较厚的大气层，直射光中红光成分大于蓝光成分，因而日出呈现红色。当天空有云层或雨层时，满足均匀散射条件，各个波长的可见光散射强度相同，因而云呈现白色。

学习总结，以作分享，如有不妥，敬请指出。

Reference:

[1] 遥感原理与应用/孙家抦主编. —3版.—武汉：武汉大学出版社，2013.6

[2] 百度安全验证

[3] 百度安全验证