當我們躺在草地上，微風拂面，蔚藍的天空映入眼簾，身心感到放松時，你有沒有想過，天空為什么是藍色的呢？為什么不是其他顏色，比如粉色、綠色呢？

就是這我們已經(jīng)習以為常的自然現(xiàn)象，背后隱藏的物理規(guī)律卻并不簡單，說它不簡單，那是因為關(guān)于“天空為何藍色”的正確解釋，直到19世紀末20世紀初才由科學家給出了完善答案，要知道那時已經(jīng)距離牛頓開創(chuàng)經(jīng)典力學體系已經(jīng)過去了足足兩個多世紀。不過從科普文章的角度出發(fā)，咱們只需要定性的了解這些規(guī)律即可，這樣來說，其實也不算復雜。

關(guān)于歷史上是誰第一個對天空為何是藍色做出相關(guān)解釋的（解釋并不需要正確），咱們已經(jīng)無從得知，但咱們可以先自己思考一下這個問題。

首先不管天空是什么顏色，前提都是空中的光子進入我們的眼睛，從而讓我們看到了天空的狀態(tài)，而這些光子是從哪里來的呢？

要知道大氣層是不可能自己發(fā)光的（應(yīng)該說在沒有外來物的情況下，不可能持續(xù)發(fā)出可見光），而這里的光子自然是太陽“送”過來的，但我們都知道太陽光是復合光，是因為牛頓利用三棱鏡發(fā)現(xiàn)了太陽光可以分解成多種顏色的光，因此天空的藍色是不是也因為天空中存在著類似三棱鏡一樣的東西，將光分解了？

但仔細一想，這樣并不正確，太陽光經(jīng)過三棱鏡會分解成數(shù)種顏色的光，那是因為折射的原因，如果是這樣，我們看到的天空不應(yīng)該只是單一的藍色，而是七彩斑斕的才對。如果不是折射的原因，難道是因為藍色光在穿越大氣層的途中被“阻攔”了下來，導致它們無法抵達地面，只能在大氣層內(nèi)不斷的“游蕩”？

總的來講，這是一個光學現(xiàn)象，涉及光線穿越介質(zhì)時的情況，因此我們可以從相類似的丁達爾效應(yīng)說起。

關(guān)于這個效應(yīng)，相信很多讀者朋友在學習中學化學時都有接觸，老師告訴我們，丁達爾效應(yīng)可以用來區(qū)分溶液和膠體，你只需要用一束光對準要區(qū)分的液體，如果里面出現(xiàn)了一條光亮的通路，那就意味著這是膠體溶液。

丁達爾效應(yīng)是英國科學家約翰·丁達爾于1869年發(fā)現(xiàn)的，其背后的微觀解釋是因為膠體溶液中存在大量直徑不超過100納米的小微粒，這些微粒的直徑小于可見光波長范圍，因此當光線通過時，就會發(fā)生散射的現(xiàn)象（如果微粒的直徑過大，比光波長還要大很多時，就會出反射現(xiàn)象）

因此當時的人們用丁達爾效應(yīng)用來解釋天空的顏色，認為是由于大氣中存在大量的灰塵、小水滴、冰晶等眾多的小微粒，而太陽光在通過大氣時，會不可避免的遇到這些微粒，將太陽光中的波長較短的藍色光散射到整個天空當中，因此整個天空才會呈現(xiàn)藍色。

這種解釋看上去似乎并沒有什么問題，不過實際上在丁達爾效應(yīng)中，散射光的強度與入射光波長之間的關(guān)聯(lián)并不是很強，雖然理論上還能說的過去，但放到現(xiàn)在來看，卻并不是正確答案，關(guān)鍵問題出在了“大氣中的灰塵、水滴等小微粒”這一點上。

我們知道，雖然空氣中含有類似于塵埃、水滴等小微粒是“理所當然”的，但這些小微粒的濃度卻是一個變量，而濃度直接影響著散射程度，散射程度的不同又直接導致天空的顏色出現(xiàn)差異。

但實際上，草原上的天空和沙漠上的天空似乎沒有什么區(qū)別啊，這顯然與丁達爾效應(yīng)的解釋不一致。如果概括來講，就是丁達爾效應(yīng)解釋“天空為何是藍色”，它的結(jié)論應(yīng)該為：不同地區(qū)由于環(huán)境不一樣，因此天空的顏色差異會很明顯。

但實際上，這一點并不存在，那么天空到底為什么呈現(xiàn)藍色呢？

現(xiàn)在我們已經(jīng)能把大氣中的雜質(zhì)小微粒的影響排除了（至少不是主要原因），那么還有什么呢？思來想去，似乎就只有大氣本身了，難道是因為大氣中的各種氣體分子嗎？

很幸運，我們的想法和著名物理學家約翰·威廉·斯特拉特走到一塊（也就是瑞利男爵，因此后人直接稱其為瑞利，這種叫法也體現(xiàn)在物理學家開爾文身上，實際上他的本名叫做威廉·湯姆遜）

在經(jīng)過仔細研究后，瑞利發(fā)現(xiàn)，散射現(xiàn)象不僅僅會發(fā)生在雜質(zhì)微粒身上，對于單獨的原子或分子而言，散射現(xiàn)象同樣會發(fā)。這被稱為瑞利散射，一般來說，當粒子的直徑遠小于入射光波長時（不超過波長的十分之一），散射光的強度同入射光的頻率呈四次方正比關(guān)系（也即是和波長呈四次方反比），因此對于波長越短的光，散射就會越強，如果以太陽光為例，那么位于可見光范圍內(nèi)的短波藍紫光就最容易被散射開。

那么對于非常純凈的大氣環(huán)境下，即便其內(nèi)部沒有懸浮的各種塵埃、冰晶等雜質(zhì)微粒，也會由于大氣分子的散射作用，而使得太陽光中的藍紫光被散射開，從而彌漫到整個大氣層，因此瑞利散射是天空呈現(xiàn)藍色的原因。

而日落時的夕陽正是這一理論的最好驗證。

考慮到地球是一個球體，因為包裹地球的大氣層可以看做是一個球殼，一般在每天正午左右，太陽位置達到每天的最高點，此時太陽光從大氣層穿透到地面上時，經(jīng)歷的大氣層厚度是一天當中最短的；而到了日落（或者日出）時，太陽光所經(jīng)歷的大氣層厚度是一天當中最長的，關(guān)于這一點從下圖比較直觀的看出來

而穿過的距離越長則意味著更多的藍紫光被散射，于是最后只有偏紅的光抵達地面，這就是為什么在日落時的太陽呈現(xiàn)出咸鴨蛋黃的顏色，不過值得注意的是，這種紅色只在太陽附近出現(xiàn)，而其余更大部分的天空，仍舊顯示藍色或者更暗的顏色（畢竟太陽要落山了，即將要進入夜晚）