天，为什么是蓝色的？

当我们惬意地躺在草地上，微风轻柔地拂过脸庞，抬头望向那广袤无垠的天空，澄澈的蓝色映入眼帘，身心瞬间感到无比放松。

在这美好的时刻，你是否曾心生疑问：天空为什么是蓝色的呢？为什么不是梦幻的粉色、清新的绿色或者其他色彩呢？

这一看似平常的自然现象，其背后蕴含的物理规律却并不简单。事实上，关于 “天空为何是蓝色” 的科学解释，直到 19 世纪末 20 世纪初才由科学家给出了完善的答案，要知道，那时距离牛顿开创经典力学体系已经过去了足足两个多世纪。不过，从科普的角度出发，我们只需定性地了解这些规律，如此一来，理解起来也并非难事。

至于历史上是谁第一个对天空为何是蓝色做出相关解释的，如今已无从考证。但这并不妨碍我们自己先来思考一番这个有趣的问题。

首先，不管天空呈现出何种颜色，其前提都是空中的光子进入我们的眼睛，从而让我们感知到天空的状态。那么，这些光子究竟从何而来呢？我们知道，大气层自身是无法发光的（准确地说，在没有外来激发的情况下，无法持续发出可见光），这里的光子自然是太阳 “馈赠” 给我们的。提到太阳光，我们都知道它是复合光，这一发现源于牛顿利用三棱镜将太阳光分解成了多种颜色的光。由此，我们或许会猜测，天空的蓝色是不是因为天空中存在类似三棱镜的物质，将光分解了呢？

然而，稍加思索便会发现这种想法并不正确。太阳光经过三棱镜会分解成数种颜色的光，这是由于折射作用。若天空中存在类似折射的情况，我们看到的天空理应是七彩斑斓的，而不是单一的蓝色。既然不是折射的原因，那会不会是蓝色光在穿越大气层的途中被 “拦截” 了下来，无法抵达地面，只能在大气层内不断 “徘徊” 呢？

总的来说，这是一个光学现象，涉及光线穿越介质时的情况。为了更好地理解，我们可以从与之类似的丁达尔效应说起。

相信很多朋友在中学化学课上都接触过丁达尔效应。老师告诉我们，丁达尔效应可以用来区分溶液和胶体。当用一束光照射要区分的液体时，如果液体中出现一条光亮的通路，那就表明这是胶体溶液。

丁达尔效应是英国科学家约翰・丁达尔于 1869 年发现的。从微观层面解释，是因为胶体溶液中存在大量直径不超过 100 纳米的小微粒，这些微粒的直径小于可见光的波长范围。当光线通过时，就会发生散射现象。如果微粒的直径过大，比光的波长还要大很多，就会发生反射现象。

因此，当时的人们尝试用丁达尔效应对天空的颜色进行解释，认为大气中存在大量的灰尘、小水滴、冰晶等小微粒，太阳光在通过大气时，不可避免地会遇到这些微粒，将太阳光中波长较短的蓝色光散射到整个天空，所以天空呈现出蓝色。

这种解释乍一看似乎合情合理，但实际上，在丁达尔效应中，散射光的强度与入射光波长之间的关联并不十分紧密。虽说从理论上勉强说得通，但从现代科学的角度来看，这并非正确答案。问题的关键就出在 “大气中的灰尘、水滴等小微粒” 这一点上。

我们知道，空气中含有尘埃、水滴等小微粒似乎是 “理所当然” 的，然而这些小微粒的浓度并非固定不变，而是一个变量。浓度的变化直接影响着散射程度，而散射程度的不同又会导致天空颜色产生差异。

但实际情况是，草原上的天空和沙漠上的天空看起来并没有明显区别，这显然与丁达尔效应的解释相悖。简单概括来说，按照丁达尔效应来解释 “天空为何是蓝色”，其结论应该是：不同地区由于环境不同，天空的颜色差异会很显著。但现实中，这种差异并不存在。那么，天空到底为什么呈现蓝色呢？

既然我们已经能够排除大气中杂质小微粒的主要影响，那还剩下什么因素呢？思来想去，似乎就只剩下大气本身了。难道是大气中的各种气体分子在 “作怪”？

幸运的是，我们的想法与著名物理学家约翰・威廉・斯特拉特不谋而合。

经过深入细致的研究，瑞利发现，散射现象不仅仅会发生在杂质微粒身上，对于单独的原子或分子而言，同样会发生散射。这种散射被称为瑞利散射。一般来说，当粒子的直径远小于入射光波长时（不超过波长的十分之一），散射光的强度与入射光的频率的四次方成正比（即与波长的四次方成反比）。因此，对于波长越短的光，散射就越强。以太阳光为例，在可见光范围内，波长较短的蓝紫光就最容易被散射开。

在非常纯净的大气环境中，即便大气内部没有悬浮的各种尘埃、冰晶等杂质微粒，也会由于大气分子的散射作用，使得太阳光中的蓝紫光被散射开来，弥漫到整个大气层。所以，瑞利散射才是天空呈现蓝色的真正原因。

日落时的夕阳便是这一理论的绝佳验证。

考虑到地球是一个球体，包裹地球的大气层可看作是一个球壳。通常在每天正午左右，太阳位置达到一天中的最高点，此时太阳光从大气层穿透到地面所经历的大气层厚度是一天中最短的；而到了日落（或日出）时，太阳光所经历的大气层厚度是一天中最长的，这一点从相关示意图中可以直观地看出。

光线穿过的距离越长，意味着更多的蓝紫光被散射。于是，最后只有偏红的光能够抵达地面，这就是为什么日落时的太阳会呈现出咸鸭蛋黄般的颜色。

不过需要注意的是，这种红色只在太阳附近出现，而其余大部分天空，仍然显示蓝色或者更暗的颜色，毕竟太阳即将落山，夜晚即将来临。