为什么晴天的天空是蓝色？傍晚却变红？3个光学原理讲透“天”的色彩密码

核心原理：瑞利散射、光程效应、米氏散射

1. 瑞利散射 - 蓝天的主导者

• 原理： 当光线穿过透明介质（如大气）时，会遇到比其波长小得多的粒子（主要是空气分子，如氮气和氧气）。这些粒子会散射入射光，但散射强度与光波长的四次方成反比（I ∝ 1/λ⁴）。
• 解释现象（晴天蓝天）：
  • 太阳发出的白光包含所有可见光颜色（波长从短到长：紫、蓝、绿、黄、橙、红）。
  • 波长最短的蓝光和紫光被空气分子散射得最强烈（大约是红光的16倍强度）。
  • 这些被强烈散射的蓝光向四面八方传播，最终充满整个天空，进入我们的眼睛。
  • 虽然紫光波长更短，散射更强，但人眼对蓝光更敏感，且太阳光谱中蓝光成分比紫光多，所以我们看到的是蔚蓝色的天空。
• 关键点： 瑞利散射主要作用于气体分子，散射方向性强，导致天空呈现均匀的蓝色（除了太阳方向）。

2. 光程效应（大气路径长度增加） - 夕阳红的制造者

• 原理： 当太阳位于地平线附近（日出或日落）时，阳光斜射进入地球大气层，需要穿过比正午时厚得多的大气层才能到达观察者。
• 解释现象（傍晚变红）：
  • 阳光穿过更长的大气路径。
  • 在这漫长的旅途中，短波长的蓝光和绿光被沿途的空气分子（瑞利散射）反复、强烈地散射掉，偏离了原来的传播方向。
  • 最终，能够穿透厚厚大气层到达我们眼睛的，主要是那些不易被散射的长波长光线—— 红光和橙光。
  • 因此，我们看到的太阳本身变成了红色或橙红色。同时，太阳附近的天空（云层、尘埃等）被这些穿透过来的红光照射，也呈现出绚丽的红色、橙色或金色（晚霞）。
• 关键点： 不是傍晚产生了更多红光，而是蓝绿光被“过滤”掉了，剩下红光穿透力最强。大气路径越长，过滤作用越彻底，红色越明显。

3. 米氏散射 - 色彩饱和度的调节器

• 原理： 当光线遇到尺寸与光波长相当或更大的粒子（如较大的尘埃、烟雾、水滴、污染物）时发生的散射。这种散射强度对波长的依赖性较弱（I ∝ 1/λ），散射方向更偏向于前向。
• 解释现象（影响天空颜色表现）：
  • 纯净蓝天： 在空气非常洁净（主要是气体分子）时，瑞利散射占绝对主导，天空呈现纯净的蔚蓝色。
  • 灰白/淡蓝天空： 当大气中存在较多较大颗粒（如薄雾、轻微污染、细小水滴）时，米氏散射增强。它对所有波长的光都有一定散射（尤其前向），会冲淡瑞利散射产生的蓝色，使天空显得灰白、淡蓝或朦胧。
  • 更鲜艳的晚霞： 在日落时，米氏散射扮演积极角色。大气中的尘埃、气溶胶和水滴能更有效地反射和散射穿透过来的红光和橙光（因为米氏散射对长波也有一定散射能力），并将它们导向我们的眼睛，增强和丰富了晚霞的红色、橙色和金色，使其更加壮观。火山爆发后的壮观全球性晚霞就是米氏散射的杰作。
• 关键点： 米氏散射不像瑞利散射那样偏爱短波，它会“平均化”光线，减弱蓝色的纯度，但能增强长波光在特定条件（如晚霞）下的表现。

总结：天空色彩的密码

蓝天： 瑞利散射让短波蓝光被空气分子强烈散射，充满天空。 夕阳红： 光程效应使阳光穿过极厚大气层，瑞利散射滤掉了大部分蓝绿光，剩下长波红光穿透到达我们眼前。 色彩表现： 米氏散射（由较大颗粒引起）调节着蓝色的纯度（使其变淡）和晚霞的鲜艳程度（增强红橙光表现）。

这三个光学原理相互作用，共同书写了我们头顶那片变幻莫测的天空画卷。纯净的空气带来深邃的蓝，而夕阳的壮美则源于光在漫长旅途中被大气“过滤”和“渲染”的结果。