为什么晴朗的天空是呈蔚蓝色而不是呈紫色的

这是因为太阳光是由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色组成的。这七种颜色的光波长是不一样的。大气中的尘埃以及其他微粒散射蓝光的能力大于散射其他波长较长的光子的能力，因此天空显现出蓝色。

大气对光线的散射主要有两种：丁达尔散射和瑞利散射。其中尘埃、水雾等能在空气中形成胶体的微粒对光的散射属于丁达尔散射，丁达尔散射的特点是散射光的强度与光波波长无关，因此白光散射后仍然是白光，在地平线附近看到的白蒙蒙一片就是丁达尔散射现象。

还有一种是瑞利散射，是由极小微粒（分子、原子等）产生的散射，其散射光强度与光波波长的四次方成反比，已知可见光的波长范围是400nm（蓝紫光）到700nm（红光），红光端波长是蓝紫光波长的1.75倍，因此蓝紫光散射强度接近红光散射强度的十倍，又因为人眼对紫光不太敏感，所我们看到的天空就是蓝色的。

大气本身是无色的。天空的蓝色是大气分子、冰晶、水滴等和阳光***同创作的图景。

00阳光进入大气时，波长较长的色光，如红光，透射力大，能透过大气射向地面；而波长短的紫、蓝、青色光，碰到大气分子、冰晶、水滴等时，就很容易发生散射现象。被散射了的紫、蓝、青色光布满天空，就使天空呈现出一片蔚蓝了。

根据瑞利的理论，当光波波长减少时，散射的程度急剧加强。所以光波波长最短的紫色光应该散射最强，靛青、蓝色和绿色的光散射要少得多。那么为什么我们看见的是蓝天，而不是紫色和靛色的天空呢?原来当散射光穿过空气时，吸收使它丧失了许多能量，波长很短的紫光和靛光虽然在穿过空气时，散射很强烈，但同时它们也被空气强烈地吸收，阳光到达地面时，所剩的紫色和靛色的散射并不多。我们所目睹的天空颜色是光谱中蓝色附近颜色的混合色，它们呈现出来的就是——蔚蓝天空的颜色。

天空本是没有颜色的，由于太阳光的色散，它有了色彩。而这也是夜晚的天空为什么看起来是黑的原因。到了夜晚，太阳光照不到这一半地球的天空，没有了强烈的阳光，天空就没有了色彩，有的，只是黑色。方时的壮丽景象是任何一位艺术家都难以描绘的。但是很少有人知道，我们目睹的大部分颜色是污染造成的。城市的落日和空气清新的乡村落日是不同的。

00在非常洁净、未受污染的大气中，落日的颜色特点鲜明。太阳是灿烂的黄色，同时邻近的天空呈现出橙色和黄色。当落日缓缓地消失在地平线下面时，天空的颜色逐渐从橙色变为蓝色。即使太阳消失以后，贴近地平线的云层仍会继续反射着太阳的光芒。因为天空的蓝色和云层反射的红色太阳光融合在一起，所以较高天空中的薄云呈现出红紫色。几分钟后，天空充满了淡淡的蓝色，它的颜色逐渐加深，向高空延展。但在一个高度工业化的区域，当污染物以微粒的形式悬浮在空中时，天空的颜色就截然不同了。圆圆的太阳呈现出桔红色，同时天空一片暗红。红色明暗的不同反映着污染物的厚度。有时落日以后，两边的天空出现两道宽宽的颜色，地平线附近是暗红色的，而它的上方是暗蓝色。当污染格外严重时，太阳看上去就像一只暗红色的圆盘。甚至在它达到地平线之前，它的颜色就会逐渐褪去。

00为什么在洁净的空气中太阳呈现出黄色，同时天空呈现出蓝色呢?在19世纪末期，英国物理学家瑞利在1871年首先对此作出了解释。在地球表面的人是透过经空气散射的太阳光来看天空的。在洁净的、未受污染的大气中，大部分的散射是空气中的分子(主要是氧和氮分子)引起的，这些分子的大小比可见光的波长要小得多。瑞利理论指出，散射光强和波长的四次方成反比(I∝1／λ4)，在这种情况下，散射主要影响波长较短的光。因为蓝色位于光谱的后面，所以天空本身呈现出蓝色。太阳光直接穿透空气，在散射过程中它失去许多蓝色，所以太阳本身呈现出灿烂的黄色。

0000除了散射外，太阳光还被空气中的臭氧分子和水蒸气所吸收。因为空气层散射和吸收的***同作用，最终到达地面的太阳光消耗了许多能量。正因为早晨和傍晚，太阳光经过空气的路程长，能量损失过多，所以我们可以欣赏壮丽日出和美丽的日落景色。而在白天，阳光在大气中经过的路程短，它的能量损失少，这时用肉眼直视太阳会使人头晕目眩，是很危险的。

00在太阳刚刚落山前，你会看到太阳圆盘的周围有一圈灿烂的红色光环。这个光环是太阳光被远大于空气分子的灰尘颗粒——通常它们是悬浮在地球附近空中的——折射的结果。这个光环看上去从太阳圆盘的中心向外延伸了大约3倍。因为光环延伸的角度取决于光波波长和微粒的大小，所以估计折射的颗粒直径大约为尘埃颗粒的大小。如果一阵大雨在落日前清洗了一遍空气的话，在落日时通常就看不到这个光环。瑞利未能明确地解释受污染的空气问题。虽然他的理论指出了光的散射强度将随着散射颗粒的增大而急剧增强，但它只适用于比光波波长小得多的微粒，对于直径超过0.025毫米的颗粒（例如空气分子）就不适用了。在当今的工业社会，污染物通常是悬浮的微粒，它们由直径从0.01到10毫米不等的微粒组成。瑞利的理论不能解释这种情况。后来，戈什塔夫·米证明了大粒子的散射取决于粒子线度与波长的比值，并于1908年提出了一个更为普遍的理论，它所覆盖的颗粒大小范围更大。这个理论指出，如果空气中有足够大的颗粒，它们将决定散射的情况。米氏的散射理论可以解释我们看见的城市天空的景象，颗粒越大，散射越多，同时散射的效果取决于波长。散射不仅在光谱的蓝色区域强烈，而且在绿色到黄色部分也很强。

00所以，穿过了受到很多污染的空气层的太阳光的强度削弱了许多，太阳看上去更红一些，它已经失去它的蓝色、黄色和绿色成分。除了散射外，像臭氧和水蒸汽还会额外地吸收光能。结果圆圆的太阳呈现出黯淡、桔红的颜色。那么在受污染的空气中，天空本身的颜色又如何呢?悬浮在空中的污染物，时间一久便会聚集成层，较大的颗粒在地面附近形成了较浓密层。当太阳光穿透这些层时，它逐渐褪色，呈现出桔红色。散射的光失去了大量波长较短的光波，结果主要是红光得以穿透。天空呈现出暗红色；因为散射的红光要穿过空气层中较低的、愈来愈浓密的空气，所以在地球表面附近红色越来越浓。你所看到的落日的类型主要取决于你所处的地方。在地面上，落日的亮度和颜色取决于季节和当地每天的大气状况。人在高处所看见的日出和日落的景色完全不同。有时日落后，站在平台上的观察者能看到贴近两面地平线的一小部分空气散射的阳光。

00日出时，在太阳升起之前，散射的光便可以看见，而对于落日而言，天空的颜色取决于大气状况。日出之前天空中呈现的鲜艳的颜色，例如橙黄色、紫色和深蓝色，表明东面的大气相对而言没受污染。一旦太阳升起来，大部分天空变成了蓝色，只有在贴近地面的部分呈现出一段狭窄的橙色和黄色。

00傍晚的天空能揭示出大气受污染的情况。天然的“污染”也会影响天空颜色，尤其是火山喷发出的大量的灰尘、热气体和水蒸汽进入大气时。灰尘的颗粒和其他一些微粒最终在离地面15千米到20千米之间的地方聚集成层。这个空气层散射太阳光的效果格外明显，绚丽多彩，太阳呈现出蓝色或绿色，尤其是在黄昏时分，火山喷发几年之后还能看到这种景象。

这些引人入胜的景色并不能弥补污染的危害，无论污染是天然的还是人为的。但至少污染物颗粒通过绚丽多彩的天空颜色的微妙变化显示了它们的存在。城市日落一旦出现暗红色，那便是对我们的警告。我们应当禁止污染物排入大气，只有这样，才能保证我们的子孙后代能够继续欣赏到明朗的天空。

太阳真的在动吗?

太阳在宇宙中不是静止的，相反，它在以不同的方式运动。首先，由于行星都有质量，太阳围绕太阳系的重心转动；其次，它和整个太阳系一起以250千米/秒的速度围绕着银河系的重心转动；再次，它和整个银河系一起以300千米/秒的速度在本星系群内运动；此外，它还在自转。

00问：为什么在下雨的地方彩虹呈弧形而不是彩色的一大片?

00答：当太阳光线进入雨滴，从雨滴的内表面反射出来时，彩虹就形成了。只要光线从一个媒介，比如空气，进入另一个媒介，比如水，它就会改变路径，这叫做折射。光线路径弯曲的大小取决于它所通过的物质以及波长，也就是光的颜色。所以当太阳光进入雨滴时，它所包含的不同光线的弯曲程度是不同的：红色最小，紫色最大。因此从雨滴里显现出来的是各种颜色，每一种颜色的弧度大约都在40～42度之间。每一滴被太阳光照着的雨点都会发生这样的情况，但是我们只能在某些雨滴中看到彩虹，它们的弧度是40～42度，正好将它们的光线传送到我们的眼睛里。这些符合条件的雨滴形成了一个圆圈，它的一部分常常被地平线切断。留在地平线以上的就是我们所说的美丽的彩虹。

天空为什么是蓝色的?

“蓝蓝的天空白云飘”。对这种美丽的景色，相信大家都有所感受。那么天空为什么是蓝色的?云为什么是白色的?对于这种奇妙的物理现象，并不是所有人都能说出原因。事实上，我们所观赏的这一美丽景象是天空中的大气分子、水滴、其他微粒和阳光***同作用的结果。

00一、空气和太阳光

00为了解释这种物理现象，首先简单了解一些空气和太阳光的知识。空气是在地球外面包裹着的一层“防弹衣”，保护着地球上生物不受紫外线的照射。空气并不是空的，是由很多的微粒组成。其中99％是氮气和氧气，其余则是别的气体(如二氧化碳、惰性气体等)、小水滴和来源于工厂的粉尘、风中的扬沙、火山爆发的岩灰等漂浮微粒。但是空气的成分并不是固定的，这依赖于所在的位置、天气和其他的不固定因素(如森林、海洋以及火山爆发和污染的严重与否)。

00光是能量以电磁波传播的一种方式，在真空中的传播速度为每秒30万千米。光和其他波(比如声波)不同的是具有波粒二象性。这是因为光是由一种无质量的粒子——光子组成，所以光不但具有波的特性，还有粒子的特性。光传递能量的大小与光的频率成正比，而光的频率正好决定其颜色。但我们的眼睛只能看到其中特定频率范围内的光，称之为可见光，频率过高(紫外线)和过低(红外线)，我们都看不见。

00对于太阳光，牛顿首先用三棱镜发现其中包含着赤、橙、黄、绿、蓝、靛和紫7种颜色。可以用一个小实验(如图1所示)即可观察到“七彩阳光”。取装入水的玻璃缸放在房子中阳光入射的地方，然后在水中放一面小镜子，用一张白纸接收从盆中小镜子反射的光，根据光的折射原理，即可从白纸上看到一个漂亮的人造彩虹。在7种不同的光中，红光波长最长(频率最低)，紫光波长最短(频率最高)。我们肉眼所看到的是它们的混合结果。

00二、天空为什么是蓝色的

00除非有外界干扰，光都是以直线传播的。当光在空气中传播时，不可避免要遇到空气中的气体分子和其他微粒。这些微粒对光有吸收、反射和散射等物理作用，正是这些物理作用使得晴日里天空成为蔚蓝色。

正确解释天空为什么是蓝色始于1859年。科学家泰多尔首先发现蓝光要比红光散射强得多，这就是“泰多尔效应”。几年之后，科学家瑞利更详细地研究了这种现象，他发现散射强度与波长的4次方成反比。后来，更多科学家称这种现象为“瑞利散射”。瑞利散射很容易通过下面一个小实验来验证(如图2所示)：用一个盛满水的水杯，然后往水杯中滴入几滴牛奶，用手电筒做光源，从水杯的一侧照射，从水杯的另一侧看到的是红光，而从垂直于光线的方向看到的却是蓝色(在黑暗处效果更明显)。

00当时，泰多尔和瑞利都认为天空的蓝色是由于空气中有小的粉尘微粒和小水滴所致，这些小的粉尘微粒和小水滴就类似于水中的牛奶悬浮颗粒。即便今天，也有许多人这样认为。事实上并非如此，如果天空完全是由于小的粉尘微粒和小水滴引起的，那么天空的颜色将随着湿度而变，事实上天空的颜色随着湿度的变化非常小，除非下雨或者乌云密布。后来科学家猜测用空气中的氮气和氧气分子足以解释天空中的“泰多尔效应”。这种猜测最终被爱因斯坦所证实，他对这种散射效应作了详细的计算，并且计算结果与实验相符合。

00我们所看到的蓝天是因为空气分子和其他微粒对入射的太阳光进行选择性散射的结果。散射强度与微粒的大小有关。当微粒的直径小于可见光波长时，散射强度和波长的4次方成反比，不同波长的光被散射的比例不同，此亦成为选择性散射。当太阳光进入大气后，空气分子和微粒(尘埃、水滴、冰晶等)会将太阳光向四周散射。组成太阳光的红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫7种光中，红光波长最长，紫光波长最短。波长比较长的红光透射性最大，大部分能够直接透过大气中的微粒射向地面。而波长较短的蓝、靛、紫等色光，很容易被大气中的微粒散射。以入射的太阳光中的蓝光(波长为0.425μm)和红光(波长为0.650μm)为例，当光穿过大气层时，被空气微粒散射的蓝光约比红光多5.5倍。因此晴天天空是蔚蓝的。但是，当空中有雾或薄云存在时，因为水滴的直径比可见光波长大得多，选择性散射的效应不再存在，不同波长的光将一视同仁地被散射，所以天空呈现白茫茫的颜色。

00如果说短波长的光散射得更强，你一定会问为什么天空不是紫色的。其中一个原因就是在太阳光透过大气层时，空气分子对紫色光的吸收比较强，所以我们所观测到的太阳光中的紫色光较少，但并不是绝对没有，在雨后彩虹中我们很容易观察到紫色的光。另外一个原因和我们的眼睛本身有关。在我们的眼睛中，有3种类型的接收器，分别称之为红、绿和蓝锥体，它们只对相应的颜色敏感。当它们受到外界的光刺激时，视觉系统会根据不同接受器受到刺激的强弱重建这些光的颜色，也就是我们所看到物体的颜色。事实上，红色锥体和绿色锥体对蓝色和紫色的刺激也有反映，红锥体和绿锥体同时接受到阳光的刺激，此时蓝锥体接收到蓝光的刺激较强，最后它们联合的结果是蓝色的，而不是紫色的。

00三、你看到过蓝色的太阳吗?

00你也许会说为什么我们看到的太阳不是蓝色的。这是因为我们直接看太阳时，眼睛接受的太阳光是通过“迈以散射”的光，而不是瑞利散射的光。迈以散射是当光遇到比其波长要大的微粒时所发生的一种散射，对光的波长几乎没有什么依赖，不改变原有光的成分。而且迈以散射的光具有前向性，绝大部分光仍然沿着原来的方向传播。对所有的光都有同样的作用。

00在我们直接看太阳时，看到的是略带浅黄的圆盘。浅黄色是因为在这个过程中有一部分光发生了瑞利散射，蓝光都散射出去了，剩下红、橙、黄和绿光，只是和迈以散射比较起来，这个散射过程较弱，所以太阳看起来是稍微有些浅黄色的。但是在沙尘暴天气，由于空气中微粒很多，瑞利散射占主要地位，我们有可能看到蓝色的太阳。

00四、夕阳为什么是红色的

00当太阳将要落山时，太阳光穿透大气层到达观察者所经过的路程要比中午时长得多，更多的光被散射和反射，所以光线也没有中午时明亮。因为在到达所观察的地方，波长较短的光——蓝色和紫色的光几乎已经散射怠尽，只剩下橙色和红色的光，所以随着太阳慢慢落下，天空看起来也从橙色变成红色。同样道理，当太阳升起的时候，也是橙色或者红色的。

00五、云为什么是白色的

00天空中的云是小水滴和空气中的粉尘组成的，它们的直径要比太阳光的任何一种颜色的光的波长都要长得多，所以发生瑞利散射的情况很少。一部分阳光被反射到空中；一部分发生迈以散射，然后散射的光射到地球，但迈以散射不改变太阳光中任何颜色的光；还有一部分直接穿透水滴之间的缝隙。上述3种情况都对阳光的成分没有影响，所以看上去天空中的云是白色的。但是当云层越来越厚时，小水滴越来越多，几乎连成一片，太阳光和迈以射散的光不能或者很少能穿透云层，这时白云就变成乌云了。

00正是在太阳光通过大气层入射到地球表面的过程中，大气层中的空气分子或其他微粒会对阳光有吸收，反射、透射等作用，从而形成了蓝天、白云和绚丽的落日余辉和晨时朝霞。如果没有大气层和其他微粒，即使是白天，太阳看上去也只是一个孤零零的明亮的球，天空也将是漆黑一片，所以空气不但给我们提供了赖以生存的条件，也使我们的天空变得多姿多彩。