我们看到的天空，经常是蔚蓝色的（当然，不考虑雾霾时），特别是一场大雨之后，天空更是幽蓝得犹如一泓秋水，令人心旷神怡。那么天空为什么是蓝色的呢？
首先让我们从下面几个光学现象说起。
【光的色散：复色光分解为单色光而形成光谱的现象叫做光的色散。色散可以利用棱镜或光栅等作为“色散系统”的仪器来实现。复色光进入棱镜后，由于它对各种频率的光具有不同折射率，各种色光的传播方向有不同程度的偏折，因而在离开棱镜时就各自分散，形成光谱。】
阳光看起来是白色的，但其实自然光由赤橙黄绿青蓝紫七种颜色的光组成。早在1666年牛顿利用三棱镜实验便证实了这一点。
太阳光到达我们的眼睛里，就必须经过大气层。根据大气垂直温度的变化，我们把大气层分为：热层、中间层、平流层和对流层四层。
【大气层：由于热层上部大气多为质子组成，为大气圈向外层空间的过渡地带，称为外层也叫散逸层；距离地面10~50千米左右的气层称为平流层，平流层内的空气比对流层要稀薄很多，很少会出现天气现象，平流层中在15~35千米的范围内，有厚约20千米的臭氧层；对流层是最靠近地面的，大气中主要的天气现象（如云、雾、雨、雪、雹等）都形成在此层内，这一层富集了如N2、O2、Ar等气体，还有各种人为排放的颗粒物。】
当自然光在前进的路线上碰到大气层中这些障碍物，传播方向就会发生改变，发生散射现象。
【光的散射：光通过不均与介质时一部分光偏离原方向传播的现象。我们知道，光无论是在空气、水或是其他介质中，总是沿着直线传播。一旦遇到一个小的颗粒，就有一部分光线偏离原来的方向向四面八方传播。这就是光的散射现象。】
正常天气状况下，大气层中的颗粒物质尺寸远小于可见波波长，光线碰到这些小颗粒时发生的散射称为瑞利散射。
【瑞利散射 ：气体对不同颜色光的散射强度与光的波长的4次方成反比（强度~λ-4），这种现象是在19世纪，由英国科学家瑞利发现的，所以被称为瑞利散射。】
由瑞利散射与波长的关系可以看出，波长越短瑞丽散射的强度越大，因此波长较短的蓝光（波长约为450纳米）会比波长较长的红光（波长约为600纳米）散射更强。经过大气层中无数颗粒的多次散射后，短波波段的蓝色光线相比其它波长更长的光线变得更强，所以我们就看到了蔚蓝的天空。
【你问我答】
Q：既然波长越短散射越强，为什么天空是蓝色而不是紫色？
A：上文提到平流层有一层臭氧，臭氧对太阳辐射的紫外线有强烈的吸收作用，因此能够到达地面的紫光很少，再加上我们的眼睛对紫色不如蓝色那样敏感，所以虽然紫光比蓝光波长更短，但我们看到的天空不是紫色而是蓝色的。
Q：为什么有时天空不是蓝色而是白茫茫的？
A：在大气污染的情况下，比如出现雾和霾时（雾和霾是两个完全不同的概念），天空总是能见度不佳呈现白色。上文讲到过光线遇到较小的气体分子时发生的散射叫做瑞利散射，当光线碰到粒径大小接近于或大于光线波长的粒子时，发生的散射叫米氏散射（或米散射）。与瑞利散射不同的是，米氏散射的强度几乎与波长无关，而且光子散射后的性质也不会改变，因此经米氏散射后的光线呈现白色或灰色。在雾天或霾天时，空气中悬浮着大量的水滴、烟、尘等颗粒，光线透过时主要是米氏散射，因此我们看到的总是白茫茫甚至是灰色的一片。
Q：为什么太阳看起来不是蓝色？为什么朝阳和夕阳是橙红色？
A：白天，太阳在我们的头顶，当日光经过大气层时，与空气分子发生瑞利散射，因为蓝光的瑞利散射比较强，所以天空呈现蓝色。但是太阳本身及其附近却呈现白色或黄色，这是因为在太阳与太阳周围范围内我们看到的光线大多是直射光而不是散射光，所以日光的颜色（白色）基本未发生改变。而当日落或日出时，太阳几乎在我们视线的正前方，此时太阳光在大气中要走相对长的路程，这时直射光中的蓝光大多都被散射了，只剩下红橙色的光，这就是为什么日落时太阳附近呈现红色。而此时的云也因为反射太阳光而呈现红色，这就和用红色的光照在白纸上的道理一样。
Q：为什么云是白色的呢？
A：空中的云是由小水滴和空气中的粉尘组成的，它们的直径比可见光的波长要长，所以当阳光穿过云时主要发生的是米氏散射，另外有一部分阳光被反射到空中，还有一部分直接穿透水滴之间的缝隙。上述3种情况对阳光的成分都没有影响，所以通常情况下云是白色的。
Q：为什么雨前的云又灰又暗？
A：当云层发展得越来越厚时，更多的阳光会被反射，只有越来越少的阳光可以穿透它。由于较少阳光到达云底，云底的散射亦较少，所以云底呈灰色。此外，如果在云底附近的水滴越来越大（如水滴重量足够造成降雨的前一刻），它们会变成较弱的散射体和较强的吸收体。因此，大部分阳光经过反射或吸收后才能达到带雨厚云的云底。从云底到达地面的光大为减少，所以在下雨前云看起来是又灰又暗的。
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