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萬里無云的藍(lán)天是藍(lán)色的，那是因為在空氣中分子散射太陽光線當(dāng)中藍(lán)色部分的能力高于其散射紅色光線的能力。日暮時分我們看到落日呈現(xiàn)紅色與橘黃色，這是因為藍(lán)色光被散射并且朝著視線以外的方向傳播。
太陽發(fā)出的白色光包含了彩虹色的所有顏色。牛頓利用多棱鏡分離得到了不同的顏色并制成色譜證明了這一點。不同顏色光線具有不同的光波的波長。可見光色譜范圍跨越最長720nm的紅光到最短的380nm的紫光，其中包含橘黃，黃，綠，藍(lán)和靛藍(lán)的光波波長。人眼視網(wǎng)膜上的色彩接收器對于紅綠藍(lán)三種顏色有較強(qiáng)的接收能力，三種顏色的組合形成了人眼的色覺。

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1.丁達(dá)爾效應(yīng)
丁達(dá)爾在1859年提出的丁達(dá)爾效應(yīng)奠定了我們能夠正確解釋天空顏色的最初幾步。他發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光線通過具有小微粒的透明懸浮液的時，光波較短的藍(lán)色光線比紅色光線具有更強(qiáng)的散射現(xiàn)象。當(dāng)一束白色光線入射到盛有肥皂水或者牛奶與水的水箱當(dāng)中。從水箱的側(cè)面看去，可以觀察到光柱在途中產(chǎn)生了藍(lán)光散射的現(xiàn)象，在光柱出射端，光線在經(jīng)過水箱之后變成了紅色。光線的偏振極化現(xiàn)象也可以通過偏振濾光片來觀察，其道理可類比于我們戴上偏光太陽眼鏡后可以看到顏色加深的深藍(lán)色的天空。

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圖解：建筑物的反射光由于霾而被散射
我們把如上現(xiàn)象稱為丁達(dá)爾效應(yīng) ，對于物理學(xué)家來說他們也把這種現(xiàn)象稱作瑞利散射，以為散射現(xiàn)象做出詳細(xì)解釋的瑞利男爵的名字命名。瑞利男爵發(fā)現(xiàn)，在存在充分散射粒子的前提下，散射光線的量與光波長的四次方成反比。由此推知，藍(lán)光的散射量是紅光的(700/400)4 ~= 10倍。

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2.塵埃還是分子？
丁達(dá)爾與瑞利原本認(rèn)為天空呈現(xiàn)的藍(lán)色與大氣層當(dāng)中的灰塵或者水蒸氣的小顆粒對光線的散射有關(guān)系。甚至今日，也有人會錯誤地用這兩種原理來解釋天呈現(xiàn)的藍(lán)顏色。科學(xué)家們后來了解到，如果這種理論是正確的，那么我們可以推理得到的當(dāng)天空當(dāng)中的濕度上升或者有云霧的天氣條件下，天空的顏色應(yīng)該由于散射而呈現(xiàn)出五彩繽紛的顏色的錯誤結(jié)論，因此科學(xué)家們認(rèn)定散射的粒子主要是空氣中的氧氣分子和氮氣分子，而非空氣中的塵埃。在1911年愛因斯坦首次論證了空氣分子散射光線的理論，他通過方程式計算了分子對于光線的散射，其理論計算數(shù)值與實際實驗結(jié)果吻合，甚至能夠通過提出的方程式比照觀察得到的結(jié)論來驗證阿伏伽德羅常數(shù) 。這些分子能夠散射光的原因在于光線的電磁場誘發(fā)了分子當(dāng)中的電磁距的變化與排列。

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3.為什么不是紫外線光？
如果短波的光波能夠具有更強(qiáng)烈的散射，那么天空為什么沒有呈現(xiàn)出最短波長的可見光——紫光的顏色？太陽輻射的光線在每個波長之上分布并不是均勻的，并且高空大氣層可以吸收一部分散射光線，因此在光線中紫色的散射光線部分就更少了。我們的眼睛對于紫光是不敏感的。盡管這可能是答案的一部分，然而彩虹中折射的光線讓我們看到在可見光部分中靛藍(lán)和紫光的比例是超過藍(lán)光的。答案的另外一部分就在于我們視覺的工作原理。在我們的視網(wǎng)膜或者視網(wǎng)膜錐中，有三種顏色的接收器。這些接收器由于分別對三種波長的光波接收能力明顯而被命名為紅，藍(lán)和綠感光光錐。隨著這三種光錐接收三種顏色光比例的變化，我們的視覺系統(tǒng)構(gòu)建了我們可以見到的光的顏色。

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當(dāng)我們仰望天空時，紅色光錐能夠識別出小劑量的散射紅光，然而對橘黃和黃色的光波的接收能力就要弱一些。綠色感光光錐可以識別出黃色和更加強(qiáng)烈散射的綠光和綠藍(lán)色光波。藍(lán)色光錐可以接收藍(lán)色光波附近的光線，這些光線是具有強(qiáng)烈散射的。被最強(qiáng)烈散射的靛藍(lán)光線與紫光可以被藍(lán)光感光光錐以及紅光感光光錐接收，因此我們視覺上看到了藍(lán)紫色并且?guī)в屑t色光暈。總體而言，紅色和綠色光錐接收到類似的散射光線，而藍(lán)色光錐接受到更大量的散射光線。這種組合可以解釋我們看到的天空為何呈現(xiàn)出蒼藍(lán)色。我們的視覺將天空調(diào)整看成純色色相并不是巧合。我們?yōu)榱诉m應(yīng)周圍的環(huán)境而進(jìn)化，能夠?qū)⒆匀唤缰械念伾宄直娴囊曈X是一種生存優(yōu)勢。

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4.日暮時分
當(dāng)空氣澄凈的時候，日落的顏色呈現(xiàn)為黃色，因為太陽光線在大氣中長距離傳播而損失掉了大部分的藍(lán)色散射光線。假如空氣中有一些污染小顆粒，日落更多的呈現(xiàn)紅色。在海邊看到的日落，由于空氣中的鹽顆粒的丁達(dá)爾散射而呈現(xiàn)橘黃色。太陽附近的天空更多呈現(xiàn)紅色，隨著太陽直射入空氣中的光線。這是由于所有散射光線都會由于散射而改變一個小的角度，但是藍(lán)光在長程散射中，其散射角可以是其他光線的兩倍或更多，剩余呈現(xiàn)出黃，紅，橙色。

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5.藍(lán)色霧靄與藍(lán)月亮
云和霧靄呈現(xiàn)出白色，因為他們包含著比光波波長更大尺寸的粒子，此時所有波長的光可以得到相同的散射（米氏散射）。但是有時在空氣中存在著比空氣更小的粒子。有些山區(qū)以藍(lán)色霧靄而聞名。山區(qū)內(nèi)植被與大氣中的臭氧層反應(yīng)，產(chǎn)生含有萜烯的氣溶膠形成粒徑200nm左右的粒子，這些粒子可以散射藍(lán)光。森林大火或者是火山噴發(fā)可以給大氣層中填滿500-800nm的微粒，恰好可以散射紅光。這些現(xiàn)象產(chǎn)生了與丁達(dá)爾效應(yīng)相反的現(xiàn)象，導(dǎo)致紅色光線的散射損失而使得月亮具有一圈藍(lán)色的光暈。這種現(xiàn)象很稀罕，也被稱為藍(lán)月亮現(xiàn)象。

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【天空為什么是藍(lán)色的百度百科秒懂百科天空為什么是藍(lán)色】6.乳白光
丁達(dá)爾效應(yīng)可以解釋自然界中一些物體顏色的起因: 例如藍(lán)色瞳孔，乳白色的寶石，還有藍(lán)色知更鳥的羽翼。這些顏色可以根據(jù)散射粒子的大小而變化。當(dāng)一種流體在臨界溫度和壓強(qiáng)的條件下，細(xì)微的密度波動可以導(dǎo)致藍(lán)色光暈的產(chǎn)生，也稱為臨界乳光現(xiàn)象。人們利用這種原理植被了具有裝飾效果的眼鏡，可以通過表面的微粒形成藍(lán)色光輝。但是并不是所有自然界的藍(lán)色都是由光線的散射產(chǎn)生的。海洋呈現(xiàn)藍(lán)色是因為深度20米的海水吸收了長波光線。從海岸上看過去，海水同時也反射了天空的顏色所以呈現(xiàn)藍(lán)色。一些鳥類和蝴蝶通過光線的衍射呈現(xiàn)藍(lán)色。

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7.為什么火星的天空是紅色的
1977年海盜號火星探測航天器和1997年火星探路者傳回的圖像來看，火星表面呈現(xiàn)紅色的天空。這是因為富含鐵元素的塵埃在大氣中時不時出現(xiàn)的原因。火星天空的顏色會隨著天氣情況而不斷改變。當(dāng)天空中沒有云團(tuán)時，火星天空呈現(xiàn)藍(lán)色，但是由于火星大氣層更加稀薄這種藍(lán)色相對地球天空的藍(lán)色更加深一些。

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參考資料
1.WJ百科全書
2.天文學(xué)名詞
3.math-ajisai
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