自然学堂笔记（135）

范 钰

蓝天为什么这么蓝？

前段时间去云南丽江，走下飞机后抬头就看到蓝蓝的天空飘着白云，天空瓦蓝瓦蓝，不禁想到最近在学习的蓝色系色素，我们了解到植物的花朵呈现蓝色的主要有两种成因：一种是花青素这类化学色素蓝，另一种是结构色蓝。如果把天空的蓝色和花朵的蓝色放在一起类比理解学习未尝不是一种好的尝试。我们知道天空中的瓦蓝瓦蓝本质上是白云的衬托，属于物理结构的对比色，是由瑞利散射形成的蓝色。

我们在中学课本里里学习了光的知识，天空之所以呈现蓝色，是空气中的各种分子与微小颗粒物对入射太阳光进行选择性散射的结果，这些原理论的基础知识在中学物理和化学中有所提及，有机会我们拿出课本温习一下，慢慢理解和消化。

要想理解透彻，可以进一步思考三个问题：

1.如果没有空气，光线可以畅通无阻吗？天空会呈现什么颜色？

2.如果有空气但没有悬浮微粒，光线还能畅通无阻吗？天空又会是什么颜色？

3.如果既有空气又有悬浮颗粒，天空又会呈现出怎样的色彩？

下面我们慢慢理清这三个问题：

1.如果没有空气，光是不是畅通无阻，天空显示什么颜色呢？假如你在月球上，你就能体会到这个实验结果，因为月球上没有大气，阳光真正的畅通无阻。因为没有大气，阳光没有任何阻挡，直接射到你的眼睛，这时的太阳光就是一束超强的直射光，特别刺眼、亮得你睁不开眼，

注意，太阳周围的天空是纯黑色，白天也能看见天上的星星。天空为什么是黑的？因为除了太阳那个小圆点之外，天空其他任何方向，都没有光过来。 太阳到达你眼睛的周围没有空气分子，也就没有任何东西能把阳光弹开，光只会直线走，不会拐弯，除了太阳那个点，周围没有任何散射光，所以除了太阳外的四周全是黑的。

再来打一个最形象的比喻，你在漆黑的房间里，打开一个手电，手电筒的灯泡位置非常亮、刺眼，这就是太阳光， 但房间四周的墙壁、空气都是黑的，这就是没有空气的光只从手电筒直射过来，不会自己飞到墙上再弹回你眼睛。

2.如果有空气，但是没有微粒，光也能畅通无阻吗、天空显示什么颜色呢？

如果没有尘埃、没有水汽、没有气溶胶，只有纯氮气和氧气的干净空气，天依然是蓝色的，而且会是更深、更纯粹、更暗的宝蓝色。让天空变蓝的，是空气分子：氮分子 N₂和氧分子 O₂

纯空气为什么能散射？

因为空气分子是带电的，光（电磁波）一照，分子里的电子被晃一下，就会把光再甩出去—— 这就叫分子散射，也叫瑞利散射。瑞利散射是英国物理学家瑞利勋爵于1871 年正式确立的光散射理论，核心是微小粒子（远小于光波长）对光的弹性散射，强度与波长四次方成反比。

下面从3个点解释一下瑞利散射

①.太阳光的本质是白光 ，用三菱镜分解后会出现红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫等七色，波长顺序为递减：红≈700nm （纳米）→ 紫≈400nm（纳米）。

②.大气是“纳米颗粒”，空气分子（N₂、O₂）直径≈0.3nm（纳米），远小于可见光波长，完美触发瑞利散射。可见光波长 λ：400纳米 ～ 700纳米。空气分子大小： 0.3纳米～0.4纳米 ，远小于光波长，所以符合瑞利散射条件。

③.散射规律：散射强度 ∝ 1/波长⁴（波长越短，散射越强）。红光波长最长，所以散射最弱，直接穿透大气；蓝光波长最短，所以散射极强，向四面八方“炸开”；紫光波长最短：散射更强，但人眼对蓝光更敏感+臭氧层吸收部分紫光，所以天是蓝的而不是紫的。

由上面三点散射的规律，我们知道蓝光更容易被甩出去、红光基本直接穿过去，到地球表面。所以只要有空气分子，瑞利散射的蓝光让我们看到蓝天，有空气的话，天更蓝、更纯净。

3.如果有空气，又有颗粒，天空显示什么颜色？

如果颗粒比空气分子还小的话， 空气分子本身就是瑞利散射的主角。比空气分子还小的粒子，仍然满足：粒子直径 ≪ 可见光波长，所以依旧是瑞利散射主导，天空还是蓝色。

如果颗粒比空气分子大， 只要大到接近或超过可见光波长（微米级），就变成：米氏散射 / 大颗粒散射 。米氏散射由德国物理学家古斯塔夫・米于1908 年完整提出，是球形颗粒直径与入射光波长相当或更大时发生的弹性光散射。

同样，我们下面从3个点理解一下米氏散射1）粒子尺度颗粒直径必须大于或者等于可见光波长，常见大于可见光波长的颗粒有：气溶胶、霾、烟尘、雾滴、花粉、细沙尘。

可见光波长 λ：400纳米 ～ 700纳米空气分子大小： 0.3纳米～0.4纳米 ，远小于光波长雾霾颗粒、烟尘：100纳米～1000纳米，很多都 大于或者等于可见光波长400纳米。所以光遇到大颗粒，各种波长都被散射，可见光里所有颜色都被均匀散射，人眼看到的就是白色，天空会变成白色、灰白色。