为什么天空会变颜色？

天空所呈现的颜色与大气对太阳光的散射有关。当太阳光通过大气遇到空气分子和微尘时，太阳光的一部分能量便以它们为中心，向四面八方散射开来，这种现象称为大气的散射。

散射后的太阳光，一部分返回太空，一部分到达地面，一部分保留在大气中。

假若空气分子直径小于太阳可见光波长，反之，则波长愈短，散射作用愈大。在晴朗的天气里，当太阳位于天空时，波长较短的蓝光被散射50％以上，而波长较长的红光几乎全部通过，所以天空呈蓝色。雨后天晴，天空呈青蓝色也是这个道理。

悬浮在空气中的尘埃、烟粒、水滴等，其直径大于波长，它们对不同波长的散射效果大致相当。所以当大气中含有尘粒时，天空呈白色。被严重污染的工业区，由于大气中尘埃含量增多，太阳光被大量散射，太阳看上去是一个无光泽的红色球体，严重时形成“昏暗的中午”。

假如没有大气的散射作用，天空就不再是蔚蓝色，早晨也看不见红日冉冉升起，烈日当顶时太阳明亮而刺眼，背阴处则暗淡无光，屋内一片漆黑，太阳一落山就变得伸手不见五指。

原理

大气散射是重要而且普遍发生的现象，大部分进入我们眼睛的光都是散射光。如果没有大气散射，则除太阳直接照射的地方外，都将是一片黑暗。大气散射作用削弱了太阳的直接辐射，同时又使地面除接收到经过大气削弱的太阳直接辐射外，还接收到来自大气的散射辐射，大大增加了大气辐射问题的复杂性。大气散射是大气光学和大气辐射学中的重要内容。也是微波雷达、激光雷达等遥感探测手段的重要理论基础（见微波大气遥感、激光大气遥感）。 

光和粒子的相互作用，按粒子同入射波波长（λ）的相对大小不同，可以采用不同的处理方法：当粒子尺度比波长小得多时，可采用比较简单的瑞利散射公式；当粒子尺度与波长可相比拟时，要采用较复杂的米散射公式；当粒子尺度比波长大得多时，则用几何光学处理。

一般考虑具有半径r的均匀球状粒子的理想散射时，常采用无量纲尺度参数φ= 2πr/λ作为判别标准：当φ<0.1时，可用瑞利散射；当φ≥0.1时，需用米散射；当φ>50时，可用几何光学。同一粒子对不同波长而言，往往采用不同的散射处理方法，如直径1微米的云滴对可见光的散射是米散射；但对微波，却可作瑞利散射处理。

天空呈现的色彩主要是太阳光与大气层相互作用的结果。太阳光是白色光，也可称为多色光（包含了彩虹中的所有色彩），而大气层中含有一定数量的水分（一般是少量的）和灰粉颗粒。 太阳光穿过某个物体时，它的传播方向就发生一定角度的折射，角度的大小取决于它要穿过什么样的物体。 透明物体一般都有一个被称为折射率的参数，这个参数的大小取决于穿过该物体的光线的颜色。因此，当一束白光穿过一个物体时，这束光线中的每一种颜色以不同的角度折射，这就是白光在穿过棱镜后分散成各种颜色的原因。 白光中的每种颜色都有自己的波长。蓝色的波长最短，折射率最大，即它相对白光弯折的角度最大，黄色和红色的波长最长，弯折角度最小，几乎没有什么弯折。 蓝光折射以后与空气中的微小颗粒相遇再次发生折射，改变传播方向，在大气层中曲折向前，直至照到我们身上。因为这个缘故，当光线照到我们眼睛时，好像蓝色光线来自天空的四面八方。而黄色光线和红色光线几乎没有折射，因此太阳在我们的眼中好像是黄色和红色的。 当太阳不是高挂在天空上而是低悬在天边时，阳光就要穿过很厚的大气层，这时光线和大气层中的微小颗粒多次发生相互作用，蓝色光线和紫色光线向四面八方传播，而黄色光线和红色光线则仍然沿着以太阳为起点的直线方向传播，这样就在地球上形成了斜阳夕照的美丽景色。 阳光与微小粒子相互作用 当电磁波（如阳光）入射到孤立的原子中或小分子中时，就与电子云相互作用，把能量传给原子。这就使原子中的电子处在振动之中，处于振动中的电子不会保持很长时间，而是将它们最初吸收的能量重新释放出来，回到原有状态。 这就意味着，如果入射光是白光（由各种波长的颜色组成），那么重新释放出来的白光中波长最短的颜色（蓝色和紫色）数量多于波长最长的颜色（红色和黄色）。因此我们的结论就是，当阳光遇到这种微小粒子时，它们重新释放出来的大多是蓝光和紫光，所以我们能看到的就是蓝色。 阳光与大颗粒相互作用 阳光遇到大气层中的大颗粒时，这些大颗粒起的作用就像是一面镜子。天上的云就是由这些大颗粒组成的，这些大颗粒就是没有颜色的小水珠。当白色的阳光照到这些水珠上，它们就像镜子一样将光线反射或折射出来，而被反射或折射出来的光线颜色不变。这就是我们看到的蓝蓝的天上飘着白云的原因。

首先你得明白一个道理：我们周围的事物之所以显现出颜色来，仅仅是因为阳光照射着它们。虽然阳光看上去是白色的，但是所有的颜色：赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫，在阳光里都存在。
天空里有这么多颜色，为什么我平时看到的只有蓝色呢？你可能会问。
如果你把光线设想为波浪，你就会猜破这个谜了。光其实是像一个波浪那样在运动的。我们来设想一下一滴雨落在一个水洼里的情景。当这滴雨落到水面上时，就会产生小波浪，波浪一起一伏地变成更大的圈，向着四面八方扩展开去。如果这些波浪碰上一块小石子或一个别的什么障碍物，它们就会反弹回来，改变了波浪的方向。
而阳光从天空照射下来，一样会连续不断地碰到某些障碍。因为光所必须穿透的空气并不是空的，它由很多很多微小的微粒组成。其中百分之九十九不是氮气便是氧气，其余则是别的气体微粒和微小的漂浮微粒，来源于汽车的废气、工厂的烟雾、森林火灾或者火山爆发出来的岩灰。虽然氧气和氮气微粒只是一滴雨水的一百万分之一，但是它们也照样能阻挡阳光的去路。光线从这些众多的小“绊脚石”上弹回，自然也就改变了自己的方向。
可是那么多颜色的光改变了方向，为什么只有蓝色被看到呢？你可能还是不明白。
我们还得回到刚才说的那个水洼里。
水洼里，小的波浪遇到小石子的话，水面便被搞得混乱不堪；但如果是一个“巨浪”，像你用手在水洼边掀起的那种“巨浪”，它就有可能干脆从石头上溢过去，并畅通无阻地到达水洼的对面边缘。那么，就像有大波浪和小波浪一样，各种各样颜色的光波也有不同的“波浪”，也就是波长：不过它们可不像水波的波浪，用肉眼是看不出它们的大小的，因为它们小得难以想像，只是一根头发的一百分之一！得用很灵敏的测量仪表才可以精确地测定出来。
根据科学家的测定，蓝色光和紫色光的波长比较短，相当于“小波浪”；橙色光和红色光的波长比较长，相当于“大波浪”。当遇到空气中的障碍物的时候，蓝色光和紫色光因为翻不过去那些障碍，便被“散射”得到处都是，布满整个天空—天空，就是这样被“散射”成了蓝色。
发现这种“散射”现象的科学家叫瑞利，他是在130年前发现的，他也是诺贝尔奖获得者。
用“散射”现象，你就可以解释下面这些天象了：
比如在你头顶的天空是蓝色的，可是在地平线—天地相接的地方，天空看上去却几乎是白色的。为什么？就是因为阳光从地平线到你这个地方比起它直接从空中落下来，需要在空气中走的路程要远得多—而在一路上它所擦过的微粒子也自然就要多得多。这些大量的微粒子就这样多次散射出光，所以它显得白中透着淡蓝。建议你做一个小实验来验证一下：拿一杯水，把它放在一个黑暗的背景里，放进一滴牛奶，再拿一只手电筒照射杯子的一端，并靠近它，手电筒的光在水中即会显现出淡蓝色。如果你往水里放进的牛奶越多，水就越白，因为光一再地受到这些众多的牛奶微粒的散射，结果就是白色的。道理跟在地平线上空是白色的一样。
太阳落山时的傍晚，天空不显现蓝色而显现红色，正在下落的太阳也变成暗红色，也是一样的道理。由于傍晚的光在照射到你这个地方的路上所遇到的众多的微粒，使得阳光中的紫色的和蓝色的部分往四面八方散射开去，仅留下一点点使你的肉眼看得见的橙红色光线—因为它们的波长长、“波浪大”，翻过了路上的障碍。
不过，细心的你会发现，天穹在落日后也还会在一段时间内呈现深蓝色。这也曾经是科学家们关心的一件怪事，不过几个物理学家已经在50年前揭开了这个谜：导致黄昏时天空的蓝色，是一种特别的物质。这种特别的物质在离地球表面20至30公里的高空处聚集成厚厚的一个层面，叫臭氧层。这种气体对正在下落的太阳光起到像颜色过滤器那样的作用：它截获太阳光中的黄色和橙色的部分，却几乎无阻拦地让蓝色的部分通过。当最后的少许光消失时，所有的颜色才消失在黑暗的夜色中。
臭氧不仅导致黄昏的蓝色天空，还吞下一种你无法看见的特殊的光线：紫外线的光，或称紫外线。你一定曾经听说过，紫外线对所有的生物（当然也包括对你）有多么危险。如果它在你的裸露的皮肤上照射得太长久，你就会得晒斑。臭氧层到处都有足够的厚度能截获尽可能多的紫外线：这对于我们这个星球上的全体生命来说，是极其重要的。
可惜，在今天，这个生命攸关的保护层在许多地方都已经变薄了，在南极上空甚至已经形成了一个大的空洞。而破坏臭氧的凶手就是“氟里昂”—一种人们用来喷洒护发摩丝或用在冰箱和空调上制冷的物质。这是一种对臭氧层特别有害的物质，所以许多国家已经不再使用这种“臭氧杀手”了。
今天我们学到了为什么我们眼中的天空是蓝色的。其实从地球以外望过来也是一样：覆盖我们地球三分之二面积的海水也散发着蓝光，陆地上虽然有土地的褐色或森林的绿色，然而上空却总是蓝色的—从宇宙中看来，整个地球都被裹着一块轻柔的蓝色面纱。从大气层外看见过地球的天文学家报道过这一情况。

这和天空中所吸收的光的元素有关啊！

幻觉…… 坚信~ 天空是蓝的……