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为什么天空是蓝色的？了解光的散射原理

为什么天空是蓝色的？这是一个我们小时候经常问的问题，也是一个非常有趣的科学问题。事实上，天空之所以呈现出蓝色，是因为光在大气中的散射现象。

在白天，太阳的光线照射到大气层上，其中包括了许多不同波长的光。这些光线在大气层中遇到了气体分子和微小的颗粒，如水滴、尘埃等，就会发生散射现象。散射是指光线碰到物体表面后改变了方向，并分散到不同的方向上。而不同波长的光线在遇到空气分子时，会发生不同程度的散射，从而呈现出不同的颜色。

具体来说，太阳光中的蓝色光波长较短，散射强度较大，因此在大气层中比其他颜色的光更容易被散射出来。而其他颜色的光波长较长，散射强度较小，因此在大气层中更容易绕过气体分子和颗粒而直接到达地面。这就是为什么在白天，我们看到的天空呈现出蓝色的原因。

此外，当太阳落下时，光线需要穿过更长的大气层，散射现象也会更加明显。这就是为什么在日落时，天空呈现出红色和橙色的原因。此时，蓝色光线被更多的散射，只有红色和橙色的光线能够穿过大气层到达地面。

总之，天空为什么是蓝色的，是因为光在大气层中的散射现象。这是一种非常有趣和重要的物理现象，对我们理解自然界中的许多现象都有很大帮助。

天空为什么是蓝色的

『天空为什么是蓝色？』正确的物理解释完成于1910年，迄今整一百年。『天蓝』物理学的一个重要应用，是光纤通讯，即高锟先生去年获得物理诺贝尔奖的项目。

『天蓝』物理学似乎很普及。凡是看过『十万个为什么』的初中生，都能说出它的『标准答案』：

『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，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。』

中文世界中，大小权威的教育和科学网站，大多仍采用上述『标准答案』，几乎一字不差。

这个『天蓝』解释，基本上是十九世纪中叶的水平。它是英国物理学家丁铎尔（John Tyndall，1820-1893）首创的。常称作丁铎尔散射模型。确实，『波长较短的蓝色光，容易被悬浮在空气中的微粒阻挡，……散射向四方』。但它并不是『天蓝』的真正原因。如果天蓝主要是由水滴冰晶等微粒的散射引起的，那末，天空的颜色和深浅，就应随着空气湿度的变化而变化。因为当湿度变化时，空气中水滴冰晶的数目会明显变化。潮湿地区和沙漠地区的湿度差别很大，但天空是一样的蓝。丁铎尔散射模型解释不了。到十九世纪末叶，丁的天蓝解释已被质疑。

1880年代，瑞利（John Rayleigh，1842-1919）注意到，根本不必求助尘埃、水滴、冰晶等空气中的微粒，空气本身的氧和氮等分子对阳光就有散射，而且也是蓝色光容易被散射。所以，空气分子的散射就可以作为“天蓝”的主因。

然而，各个分子有散射，不等于空气整体会有蓝色。如果纯净的空气是极均匀的，分子再多也没有『天蓝』。就像一块极平的镜子，只有折射或反射，而极少散射。在均匀一致的环境中，不同分子的散射相互抵消了。就如在一个集体纪律超强的环境（如监狱）中，每个人的独立和散漫行为被彻底压缩。而『天蓝』靠的就是分子各自的独立和相互不干涉，或少干涉。

为此，瑞利假定，空气不是分子的『监狱』。相反，氧和氮等分子，无规行走，随机分布。瑞利由这个模型算出的定量结果，很好地符合天蓝的性质。1899年，瑞利写了一篇总结式的文章『论天空蓝色之起源』［1］，开宗明义就说：

『即使没有外来的微粒，我们依旧会有蓝色的天。』

『外来的微粒』即指丁铎尔散射所需要的。从此，丁铎尔的天蓝理论被放弃。瑞利散射成为『天蓝』理论的主流。

瑞利的天蓝理论虽然很成功，瑞利的分子无规分布假定，也有根据。然而，瑞利实质上还要假定空气是所谓理想气体，这是一个不大的，但也不可忽略的弱点。因为空气不是理想气体。

1910年，爱因斯坦最终解决了这个问题[2]。爱因斯坦用当时刚刚发展的熵（混乱的度量）的统计热力学理论证明：那怕最纯净的空气，也是有涨落起伏的。空气本身的密度涨落也能散射，也是蓝色光容易被散射。密度涨落的散射，不多也不少，正好能产生我们看到的蓝天。如果空气是理想气体，爱因斯坦的结果就同瑞利的一样。所以，简单地说，天空蓝色之起因是：

『空气中有不可消除的「杂质」，即空气自身的涨落。密度涨落等对阳光的散射，形成了蓝天。』

『天蓝』起源物理不是爱因斯坦首创，但最完整的理论是爱因斯坦奠定的。所以说，『天蓝』物理学，完成于1910年。

瑞利和爱因斯坦的『天蓝』理论，是普遍适用的。可以用来解释纯净空气中的『蓝天』现象，也可以用来解释纯净的水，纯净的玻璃等液体或固体中的『蓝天』现象。当然，也有该理论不适用的地方。多年前，听到过有人对着『蓝天』发（歌）情，『我爱祖国的蓝天』，千万不要误听为『我爱祖国的独立而又无规游荡的分子们』。

高锟先生在他为『光纤通讯』奠基的第一篇论文［3］中引用的第一个物理公式，就是爱因斯坦的『天蓝』瑞利散射公式（即Einstein-Smoluchowski公式）。玻璃是凝固了的液体。即使最理想的玻璃，没有气泡，没有缺陷，玻璃中依旧有不可消除的『杂质』，即玻璃本身的不可消除的涨落。在光纤中传播的讯号（光波），会被玻璃的涨落散射。『天蓝』机制，是光纤通讯讯号损失的一个物理主因。它是不能用光纤制造技术消除的。只能选择『不太蓝』的光，减低它的影响。

不少权威的教育和科学（中文）网站上，正在报导高先生是『影响世界的华人』之最。高先生的影响，确实遍及全球。有趣的是，这些网站本身，似乎并不在『被影响』之列。比如，本文开头引用的『天蓝』解释，就还完全没有『被影响』。对青少年来说，那些『标准解释』虽然不算是有毒奶粉，但也是过期一百年的奶粉。

[1] J. Rayleigh, Phil. Mag. XLVII, 375, 1899

[2] A. Einstein, Ann. Physik, 33, 1275, 1910

[3] C. Kao, Pro. IEE, 133, No.7, 1966

天空为什么是蓝色的呢？为什么不是紫色的

天空为什么是蓝色的？这个主要与以下三个方面原因有关：

一、光的散射现象：

太阳光射入大气层的时候，与大气中的气体分子相互作用，改变传播方向向四周扩散的现象，称为光的散射。

太阳光可见光部分的波长范围大致在400nm~760nm之间，其中紫光波长最短，红光波长最长，大气中气体分子直径基本不足1nm，光与像这种粒子尺度远小于入射光波长而发生的散射现象，称为瑞利散射。

瑞利散射规律：散射光线的强度与入射光线波长的四次方成反比，也就是说，波长越长的光，散射越弱。所以在可见光中紫光、蓝光等波长较短的光最容易发生散射现象。

二、黑体辐射：

自然界中的一切物体，只要温度在绝对温度零度（-273.15摄氏度）以上，都以电磁波和粒子的形式时刻不停地向外传送热量，这种传送能量的方式被称为辐射。

黑体：所谓黑体，指的是它只吸收和辐射电磁波，但不反射电磁波。黑体来研究热辐射是一种非常理想的实验模型。由于太阳辐射的光基本都是自身发出的，反射能力非常弱，所以太阳可以近似看作为一个黑体。

黑体辐射的特性：温度越高辐射能力越强，并且辐射的电磁波的强度并不是均匀的，且具有一定的分布规律。

太阳光波长与辐射强度的关系

太阳光辐射强度最强的部分主要集中在可见光范围，这个范围内存在一个峰值，然后两侧递减，所以太阳光辐射的紫色光的强度要比蓝色光强度低。

三、人眼睛的敏感度

人眼在长期的进化过程中，为了适应太阳光，眼睛的敏感度会根据太阳光中能量最强的可见光部分进行适应调整。不过人眼对不同颜色光的敏感程度也存在差别，最敏感的颜色光位于560nm波长的绿光附近，然后两侧逐渐递减，紫光位于最不敏感的位置。

光线颜色与人眼敏感度的关系

最后我们总结一下：

太阳光射入大气层，由于大气密度不均匀，光线与大气分子相互作用发生瑞利散射，波长短的紫光和蓝光散射能力强，经大气发生多次散射后进入人的眼睛，使天空看起来呈现蓝色。至于为什么不是紫色的，主要因为蓝光辐射强度大于紫光且人眼对蓝光相比紫光更加敏感的缘故。

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关于天空为什么是蓝色的（天空为什么是蓝色的物理知识），天空为什么是蓝色的（天空为什么是蓝色的物理知识）的介绍到此结束，希望对大家有所帮助。