浙江
天空为什么是蓝色的？夕阳为什么是红色的？
这是一个看似简单、实则牵涉光学物理的问题。很多人知道答案和"散射"有关，但散射是怎么发生的、为什么偏偏是蓝色、为什么夕阳又变成了红色，这一套逻辑串起来之后，会发现自然界的细节常常比想象的更精妙。
阳光不是白色的
理解这个问题的起点，是阳光的本质。
阳光看起来是白色的，但它实际上是多种颜色的光混合而成。用棱镜折射阳光，可以看到从红、橙、黄、绿、蓝到紫的完整光谱，这是牛顿在17世纪做过的著名实验。彩虹也是同一个原理——雨滴扮演了棱镜的角色，把阳光分解成各种颜色。
不同颜色的光本质上是不同波长的电磁波。可见光的波长范围大约在380—700纳米之间，红光波长最长（约700纳米），紫光波长最短（约380纳米），蓝光介于中间偏短（约450纳米）。
散射：光与空气的相互作用
阳光进入地球大气层后，会与空气中的气体分子（主要是氮气和氧气）发生相互作用。
当光的波长与气体分子的尺寸相近甚至远大于分子尺寸时，光会发生瑞利散射（Rayleigh scattering）——气体分子在光的作用下产生振动，再向四面八方重新发射光。关键在于：散射强度与波长的四次方成反比，也就是说，波长越短的光，被散射的概率越大。
具体计算下来，蓝光（波长约450纳米）被散射的强度，大约是红光（波长约700纳米）的5—6倍。
天空为什么是蓝色
阳光穿过大气层时，蓝光被大气分子大量散射，向各个方向弥散，充满整个天空。当你抬头看任何一个方向，都能收到来自四面八方散射来的蓝光，所以天空呈现出蓝色。
红光、橙光和黄光波长较长，散射少，大部分继续沿原来的方向传播，不会大量进入你的视野，除非你直视太阳。
这也解释了为什么晴天比阴天天空更蓝——云层由大颗粒的水滴组成，大颗粒对不同波长的光散射差异不大（米氏散射），把所有颜色都均匀散射，所以云看起来是白色或灰色，而不是蓝色。
夕阳为什么是红色
太阳在天空中的高度不同时，阳光穿越大气层的路径长度不同。
正午时分，太阳几乎在头顶，阳光近乎垂直穿过大气层，路径最短。这时蓝光被散射，到达地面的光混合了各种颜色，太阳看起来偏白或淡黄。
日出日落时，太阳在地平线附近，阳光以极小的角度穿过大气层，路径长度可以达到正午的约40倍。在如此漫长的路径中，蓝光、绿光被反复散射，在抵达你的眼睛之前已经几乎全部散射殆尽，剩下的主要是波长较长的红光和橙光，这就是夕阳和朝霞呈现出暖色调的原因。
为什么火星天空是橙色的
同样的瑞利散射原理，在不同大气组成的星球上，天空颜色就不同。
火星大气极其稀薄，主要成分是二氧化碳，但大气中悬浮着大量细小的红色氧化铁尘埃颗粒。这些颗粒对红光和橙光的散射效果更强，使火星天空呈现橙红色。在火星日落时，由于类似的散射原理，天空反而呈现出蓝色调——正好与地球相反。
美国宇航局的火星探测器拍摄的照片证实了这一点，火星的日落时分确实有一圈蓝色的晕圈出现在太阳周围。
深海为什么是蓝色的
同样的光学原理也解释了海水的颜色。
水分子对光的吸收率随波长变化：红光、橙光、黄光在水中很快被吸收，蓝光和绿光穿透能力更强，能深入到更深的水层。阳光进入海水后，红色波段被吸收，蓝色波段被散射回来，所以深海和深水水体呈现蓝色。
浅海或近岸海水呈现绿色，是因为水中含有大量浮游植物，叶绿素对光的吸收改变了散射的颜色构成。
蓝色的天空、红色的夕阳、蓝色的海洋，背后是同一套光与物质相互作用的规律在不同尺度上的呈现。理解了这一点，晴天抬头，看到的不只是颜色，而是物理定律在运行。
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