萬裡無雲的藍天是藍色的，那是因為在空氣中分子散射太陽光線當中藍色部分的能力高於其散射紅色光線的能力。日暮時分我們看到落日呈現紅色與橘黃色，這是因為藍色光被散射並且朝著視線以外的方向傳播。
太陽發出的白色光包含了彩虹色的所有顏色。牛頓利用多稜鏡分離得到了不同的顏色並製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。可見光色譜範圍跨越最長720nm的紅光到最短的380nm的紫光，其中包含橘黃，黃，綠，藍和靛藍的光波波長。人眼視網膜上的色彩接收器對於紅綠藍三種顏色有較強的接收能力，三種顏色的組合形成了人眼的色覺。
1.丁達爾效應
丁達爾在1859年提出的丁達爾效應奠定了我們能夠正確解釋天空顏色的最初幾步。他發現，當光線通過具有小微粒的透明懸浮液的時，光波較短的藍色光線比紅色光線具有更強的散射現象。當一束白色光線入射到盛有肥皂水或者牛奶與水的水箱當中。從水箱的側面看去，可以觀察到光柱在途中產生了藍光散射的現象，在光柱出射端，光線在經過水箱之後變成了紅色。光線的偏振極化現象也可以通過偏振濾光片來觀察，其道理可類比於我們戴上偏光太陽眼鏡後可以看到顏色加深的深藍色的天空。
圖解：建築物的反射光由於霾而被散射
我們把如上現象稱為丁達爾效應，對於物理學家來說他們也把這種現象稱作瑞利散射，以為散射現象做出詳細解釋的瑞利男爵的名字命名。瑞利男爵發現，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，藍光的散射量是紅光的(700/400)4 ~= 10倍。
2.塵埃還是分子？
丁達爾與瑞利原本認為天空呈現的藍色與大氣層當中的灰塵或者水蒸氣的小顆粒對光線的散射有關係。甚至今日，也有人會錯誤地用這兩種原理來解釋天呈現的藍顏色。科學家們後來了解到，如果這種理論是正確的，那麼我們可以推理得到的當天空當中的溼度上升或者有雲霧的天氣條件下，天空的顏色應該由於散射而呈現出五彩繽紛的顏色的錯誤結論，因此科學家們認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於光線的散射，其理論計算數值與實際實驗結果吻合，甚至能夠通過提出的方程式比照觀察得到的結論來驗證阿伏伽德羅常數。這些分子能夠散射光的原因在於光線的電磁場誘發了分子當中的電磁距的變化與排列。
3.為什麼不是紫外線光？
如果短波的光波能夠具有更強烈的散射，那麼天空為什麼沒有呈現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並不是均勻的，並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。我們的眼睛對於紫光是不敏感的。儘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和紫光的比例是超過藍光的。答案的另外一部分就在於我們視覺的工作原理。在我們的視網膜或者視網膜錐中，有三種顏色的接收器。這些接收器由於分別對三種波長的光波接收能力明顯而被命名為紅，藍和綠感光光錐。隨著這三種光錐接收三種顏色光比例的變化，我們的視覺系統構建了我們可以見到的光的顏色。
當我們仰望天空時，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烈散射的綠光和綠藍色光波。藍色光錐可以接收藍色光波附近的光線，這些光線是具有強烈散射的。被最強烈散射的靛藍光線與紫光可以被藍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紫色並且帶有紅色光暈。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出蒼藍色。我們的視覺將天空調整看成純色色相併不是巧合。我們為了適應周圍的環境而進化，能夠將自然界中的顏色清楚分辨的視覺是一種生存優勢。
4.日暮時分
當空氣澄淨的時候，日落的顏色呈現為黃色，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色散射光線。假如空氣中有一些汙染小顆粒，日落更多的呈現紅色。在海邊看到的日落，由於空氣中的鹽顆粒的丁達爾散射而呈現橘黃色。 太陽附近的天空更多呈現紅色，隨著太陽直射入空氣中的光線。這是由於所有散射光線都會由於散射而改變一個小的角度，但是藍光在長程散射中，其散射角可以是其他光線的兩倍或更多，剩餘呈現出黃，紅，橙色。
5.藍色霧靄與藍月亮
雲和霧靄呈現出白色，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。有些山區以藍色霧靄而聞名。山區內植被與大氣中的臭氧層反應，產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光。森林大火或者是火山噴發可以給大氣層中填滿500-800nm的微粒，恰好可以散射紅光。這些現象產生了與丁達爾效應相反的現象，導致紅色光線的散射損失而使得月亮具有一圈藍色的光暈。這種現象很稀罕，也被稱為藍月亮現象。
6.乳白光
丁達爾效應可以解釋自然界中一些物體顏色的起因: 例如藍色瞳孔，乳白色的寶石，還有藍色知更鳥的羽翼。這些顏色可以根據散射粒子的大小而變化。當一種流體在臨界溫度和壓強的條件下，細微的密度波動可以導致藍色光暈的產生，也稱為臨界乳光現象。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色光輝。但是並不是所有自然界的藍色都是由光線的散射產生的。海洋呈現藍色是因為深度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藍色。一些鳥類和蝴蝶通過光線的衍射呈現藍色。
7.為什麼火星的天空是紅色的
1977年海盜號火星探測太空飛行器和1997年火星探路者傳回的圖像來看，火星表面呈現紅色的天空。這是因為富含鐵元素的塵埃在大氣中時不時出現的原因。火星天空的顏色會隨著天氣情況而不斷改變。當天空中沒有雲團時，火星天空呈現藍色，但是由於火星大氣層更加稀薄這種藍色相對地球天空的藍色更加深一些。
參考資料
1.WJ百科全書
2.天文學名詞
3.math-ajisai
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