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每日科普|为啥天空是蓝色的？

科普中国2023-05-13抬头，又是一个蓝天白云的好日子。等等，一个古怪的问题突然浮现在脑海中：天，为什么是蓝色的？

多彩的阳光，为这道蔚蓝色涂上了第一笔。

太阳光的本质是来自太阳的所有电磁辐射，从最高能的紫外线，到肉眼可辨识的可见光，再到部分近红外光谱。

光的能量越高，波长越短，因此在可见光中蓝光和紫光的波长较短而能量较高，而橙光和红光的波长较长而能量较低。

所以，当白光经过三棱镜时，不同波长的光就会被折射向不同的方向，造就奇妙的色散现象。

在天空中，类似的奇妙过程也在悄悄发生着，不过这个过程中发生作用的并不是什么人造的三棱镜，而是天空中飘浮的各种微小粒子，氧、氮、水、二氧化碳以及氩等等，这个过程叫作瑞利散射。

瑞利散射指的是像它们这样半径比光或者其他电磁辐射的波长小得多的微小颗粒对入射光束的散射。在气体、液体和固体中瑞利散射都在悄然发生，只不过在气体中最为明显。

根据瑞利散射的规律，光的强度越高，波长越短，被散射也就越厉害。因此，波长最短的紫光的散射频率，要比波长最长的红光的散射比例高出9倍以上。

当太阳高悬天空中央，阳光垂直或者稍有斜角地射入大气层，其实只有很少一部分的红光会被散射，而蓝光则大部分都被散射了，布满了整个太空。

此时，当我们抬头仰望天空，自然会感叹于天空的澄澈与蔚蓝。但是，在朝阳升起或者夕阳落下的时候，情况却略有不同。太阳光接近水平射入大气层，阳光中的偏蓝光都因为瑞利散射而被散射到了我们看不到的角度，因此，天空就被印成了美丽的橙红色。因为太阳位置和我们观测时所处位置的变化，天空也会呈现为十分美丽的渐变色。

朝阳升起时，随着太阳的角度越来越高，蓝光开始占领天空，于是天空由橙红转向蓝色。

夕阳落下时，随着太阳的角度越来越低，红橙光洒满天际，于是天空便映衬着十分美丽的晚霞，太阳本身也会在此时显得格外红。

说到这里，你大概会想问既然较短波长的光被散射得比较厉害，那么比蓝光波长更短的紫光呢？比它波长稍长一些的绿光呢？

其实，这就与人类的眼睛以及大脑构造有关了。事实上，天空中散射的紫光当然比蓝光多得多，但是很可惜，人眼并不能识别出它们。人类是三色视觉，拥有三种识别颜色的视锥以及单色视杆。

当我们接收到一个颜色信号时，大脑会自动对它进行解析，并且将之与一种颜色匹配，此时我们就产生了对于颜色的认知。而我们的眼睛对于蓝色、青色、绿色光的反应，都比对紫色光的反应更强，虽然我们看到了更多的紫光，但是我们对它不敏感，接受的信号强度不够强，压不过蓝光的信号强度。

因此，我们的大脑会优先将我们看到的天空处理成蓝色。

也就是说，如果我们对于紫光更敏感一些，其实我们看到的天空应该是偏紫色的，那场面可能会有点魔幻。

此外，当绿光和红光相比时也是同样的原因，对于人类的视觉系统来说，红光和绿光同时存在时，我们并不能很好地分辨出绿光，大脑反而会将这个颜色处理成黄色。

而且因为在早晨或者傍晚时，绿光损失得比红光多，这样调和一下，我们看到的天空就是熟悉的橙黄色或者橙红色了。

也就是说，大脑里反映出来的颜色，并不是直接对应光的波长，我们的视觉还有进一步的加工过程。

这就是蓝天的真相，它并不全部是蓝色的，而只是我们的大脑让我们主要看到了蓝色。

作者：海德拉

审核：罗会仟 中国科学院物理研究所副研究员