天空的颜色

  为什么天空是蓝色的，云是白色的、灰色的或黑色的？为什么日落是红色的？为什么夜晚是黑色的？彩虹从何而来？这些现象在很大程度上是由于太阳光与地球大气层各组成部分（各种大小的水滴、气体分子、尘埃等）的相互作用、吸收和散射造成的。这些机制造成天空有不同颜色，并产生了诸如布洛肯光谱的壮观景象。。

1. 光的本质

  在标题照片中可见的地球的大气层（请阅读《地球的大气层和气体层》）赋予天空以色彩，并产生令人惊奇的光现象，如海市蜃楼和彩虹。有些现象我们如此熟悉， 以至于我们常常认为它们是理所当然的。为什么晴天时天空是蓝色的？为什么日 落是红色的？为什么夜晚是黑色的？所有这些问题看起来都很幼稚，但答案并不简单，而且涉及到我们试图阐明的物理现象。为此，让我们回顾一下光的构成，首先回顾一下电磁波的性质及其传播模式。

  光是电磁波的叠加。这样的波包括以相同频率振荡的电场（标记为 E）和磁 场（标记为 B）。这两个场彼此垂直，并在与它们的方向正交的第三个 z 方向上 传播，如图 1 所示。

  电磁波以一定速度传播，通常称为波速，大小取决于所处的环境。真空中该速度为 c=3×108m/s（米/秒）。波长λ是两个连续的场最大值之间的距离。在给定的点上，这些场以周期 T 进行周期振荡，周期 T  以秒为单位。波长是该周期与速度的乘积： λ=cT。它以米（m）或其约数之一表示： 微米（1µm=10-6m）或纳米（1nm=10-9m），单位选择取决于现象的特征尺度。波形的特征还可以用频率 ν 表征，它的周期为 ν=1/T  的倒数，以赫兹（Hz）表示。1Hz 对应于周期 T=1s。

  电磁波谱表示所有电磁波根据其波长或频率的分布，如图 2 所示，这种光谱有相当大的范围，在 γ 射线的最短波长(10- 14m<λ<10- 12m)  和无线电波的最长波长(10- 1m<λ<104m)之间变化 1018 个数量级。

  可见光区域对应于我们肉眼可感知光谱中非常狭窄的部分，位于紫光 (λ=0.4μm）和红光(λ=0.8μm）之间（图 3）。该区域内，太阳辐射在 λ=0.5μm 附近达到最大强度。而白光是可见光光谱中所有波长的波的叠加。

  事实上，光有两种性质（波粒二象性） ，即上面描述的波的性质和在太阳与地球大气层之间的能量交换中表现出的粒子的性质。这种发挥作用的小球便是 “ 能量粒子”或称为“光子 ”。每个光子都携带一个与其电磁波频率成正比的能量量子，其能量记为 E=hν , 其中 h 是普朗克常数， h= 6.625 10-34 J.s（焦耳秒）。 因此， 短波（高频） 光子比长波（低频） 光子携带更多的能量。太阳辐射与地球大气之间的能量交换是通过吸收或发射光子离散进行的。

2. 太阳辐射与大气的相互作用

  当太阳光穿过大气层时，来自太阳的辐射（请阅读《太阳的能量》）与存在的气态分子和颗粒物（水滴、灰尘和气溶胶等）相互作用，就会产生两种基本现象： 吸收和散射。当辐射被全部或部分吸收时，太阳辐射与其相互作用的分子之间就会发生能量转移，这导致其在传播方向上的衰减。例如，平流层中的臭氧（请阅读《地球的大气层和气体层》）吸收几乎所有波长小于 0.3µm 的对生物非常有害的紫外线，因此需要保护该臭氧层。

  当辐射不被吸收时，它可以向各个方向偏转，由此产生大气散射现象。其性质取决于几个因素：辐射波长、粒子和大气分子的密度和大小、穿过大气层的厚度。散射一般有三种类型：瑞利散射、米氏散射（以发现和分析它们的人命名）和非选择性散射。这些散射的普遍程度取决于大气状态，如下所述。

3. 蓝天和瑞利散射

  瑞利散射是由于大气中存在的气态分子（O2 ，N2 ，CO2 和水蒸气等）和非常小的尘埃颗粒引起的。当散射粒子的尺寸远小于辐射的波长时，就会发生瑞利散射。一般来说，这种引起散射的分子比纳米小，即比大约 0.5 微米的可见光波长小 1000 倍以上。

  入射波的振荡电场使原子的电子云变形。这就是电子相对于带正电荷的原子 核的负电荷质心（或重心）振荡的原因，带正电荷的原子核构成一个振荡的电偶极子，它充当微观的发射天线，向四面八方辐射。图 4 显示出原子上产生的偶极子，而分子层面上也是同样的机制。

  需要注意的是，重新发射的电磁波与入射波具有相同的频率，或者说散射光子与入射光子具有相同的能量。但是散射辐射的强度与入射辐射波长的 4 次方成反比。因此，散射是一种选择性的现象，光谱上波长最短的波(紫色、蓝色)散射强度最大。由于紫光波长是红光的一半，所以紫光的漫反射率是红光的 16倍，这就解释了白天天空的蓝色。

  另一方面， 在黎明和黄昏时，当太阳在较低地平线上时，太阳辐射到达我们眼睛要穿透大气层的厚度要比白天大得多。短波被散射到各个方向了， 这样观察者朝着太阳方向主要看到的是长波长，即与红色相关的波长。这就是为什么天空在落日或朝阳方向上呈橘红色的原因。最后，应该注意的是，如果我们在白天观察太阳方向的天空（这很危险），那么太阳就会呈现白色，因为我们接收的直接透射光的强度要比散射光强得多。

4. 灰蒙蒙的天空和米氏散射

  当大气中的粒子大小尺寸比辐射波长稍大或数量级相同时，瑞利散射就被米氏散射所取代。米氏散射的机制和性质与瑞丽散射不同，主要受到水滴、冰晶和气溶胶(尘埃、烟雾、花粉)影响。米氏散射与入射辐射的波长成反比，蓝色受到的影响较大但与瑞利散射相比不太明显。米氏散射更多地出现在气溶胶含量最高的低层大气，使得天空呈现褪色蓝甚至灰色(图 5) 。

  天空所呈现的蓝色深浅程度取决于空气中的水蒸气和尘埃的数量，随着数量的增加，所有波长的散射都会增强，导致绿色和黄色的比例增加，使蓝色的色调更浅。另一方面，尘埃和水滴的减少使得蓝色占得主导地位，就像在高山上看到的那样。

5. 白云和非选择性散射

  当大气颗粒物的尺寸远大于辐射的波长时，就会发生非选择性散射。这主要是由在云雾中的水滴引起的（水滴的大小约为 100 微米）。非选择性散射会影响所有波长（故因此得名），可以解释云为什么是白色，也可以解释雪为什么是白色的（因为光会被雪中毫米大小的晶体散射）。我们所看到的乌云则是因为阳光被太阳与地面可见云之间的其他云吸收或散射。

  图 6 总结和绘制了大气的不同散射模式，它们直接根据辐射的波长、入射角和散射粒子的性质来影响天空的颜色。

6. 为什么夜晚是黑色的？

  在太空中，如果没有大气层，即使有来自于行星、恒星和太阳圆盘的光源， 天空也会显得全黑。我们可能也想知道为什么地表夜晚是黑色的，尽管那并不是完美且均匀的黑色。事实上，几种现象导致了这种黑。 一方面，月亮和恒星只给我们的星球带来微弱的光。另一方面，我们感知光的能力， 即来自于我们视网膜的感知光的能力，造成了夜晚的黑色。视网膜上的感光细胞由锥体细胞和杆体细胞组成。视杆细胞仅对微弱光线敏感，但是不能感知颜色(在黑暗中所有的猫都是灰色的) ，而锥体细胞只有在较亮的光线下才能对颜色敏感。

  当然，即使没有大气层，在恒星遍布的广阔宇宙中，天空也不会完全是黑色的， 因为来自所有遥远恒星的光的叠加会产生一个均匀的光的背景。我们的星系所形成的圆盘之中即可看到，银河的光是因为那里较高的恒星密度。如果我们考虑所有星系，光线就不会均匀，因为存在另一机制：宇宙膨胀。星系距离我们越远，它们离开的速度就越快，它们的光向长波方向偏移也就越多，即在变为红色甚至变为我们不可见的红外。这就是光的多普勒效应，类似于接近或离开我们的车辆所发出的更高或更低音调的机制。

  在地球上我们可以观察并经常欣赏的自然的光线主要来自我们的恒星——太阳。我们已经知道组成大气层的粒子、液滴或物体是如何影响天空的颜色的，这就是为什么地球经常称为蓝色行星（正如宇航员在太空中所看到的那样） 。宇航员看不到陆地，对他/她们而言，海洋是一面反射蓝色大气图像的镜子，上面点缀着白色或灰色的云。