天空为什么是蓝色的？

2025/02/08

1 现象

晴空万里，抬头放眼天空，遍处蔚蓝。这蓝色似乎并不均匀，越远方越接近地平线的天空显得越白；越在头顶上的天空越蓝。

散射光的波长与入射光相同，而其强度与波长的四次方成反比的散射，称瑞利散射定律。此定律成立的条件是散射微粒的线度远远小于波长。

首先，太阳光是白光，含有多种不同波长的光线成分。在可见光中（红橙黄绿蓝靛紫），蓝靛紫色的波长最短（380-480nm），频率最高，能量最大。

其次，空气中占比最多的成分是氮气和氧气，其分子直径分别为 0.364nm 和 0.346nm，远远小于可见光的波长。因此太阳光中的可见光成分进入大气层后发生瑞利散射，其中强度较大的是波长较短的蓝靛紫光。而波长越短的光，它越早发生散射，能穿透大气层的部分就越少。

因此我们在地面上看到的天空，既不是紫色的（1.紫光在大气层较高处就早早发生了散射；2.有臭氧层吸收紫外线和一部分紫光；3.人眼对紫光的敏感度较低；4.太阳光中蓝光的强度更高），也不是红橙黄绿色的（因为它们的散射强度远小于蓝光），恰恰是蓝色的。

白天的时候，越接近地平线的天空显得越白，这是因为那里的光线穿越了更多大气层，大部分蓝光也早早散射完了，最后呈现出来的颜色又合成了白色。

落日的时候，光线穿越了更多大气层，蓝光、绿光甚至大部分黄光也都散射完了，最后呈现出来的颜色就是晚霞的橘红色了。

这种现象是偶然的，往往因为大气层中存在某些气溶胶或者微尘颗粒，导致散射现象不同于以上的讨论。这就超出了本文的讨论内容了。