天空為什麼是藍色的?紅月亮又是怎麼回事?

我們小的時候也許都問過家長：天空為什麼是藍色的？這個問題恐怕大多數家長都回答不出來。當我們長大了變成家長了，孩子們又要問我們這個問題，這仿佛成了一個千古難題。在湖南衛視《天天向上》欄目裡，汪涵是這樣回答的：

「天空是藍色的，因為大海是藍色的。大海是藍色的，因為海裡面有魚，魚會吐泡泡，blueblueblue，就把海染藍了。」

現在好了，你看了這篇文章，這個問題你終於可以回答了。

瑞利散射

我們知道，空氣是由78%的氮氣、21%的氧氣和1%的其他氣體構成的。空氣中還存在一些雜質，例如固體顆粒、小水滴、小冰晶等。當光線射入大氣層時，由於氣體分子並不均勻以及雜質的影響，光線就會發生散射。所謂散射，就是將原本平行射入的光變為四面八方發射的。

這樣以來，原本向某個方向照射的太陽光，就會把整個天空照亮。如果沒有大氣的散射作用，就算在白天，天空中大部分還是黑的，就好像月亮表面上那樣。

太陽光並不是單一波長的光，而是許多單色光合在一起構成的複色光。波長在400納米到760納米之間的光是可以被人眼看到的，稱為可見光。太陽光的可見光部分可以分解為七種不同顏色，按波長從長到短依次是紅橙黃綠藍靛紫。除此之外，波長大於紅光的不可見光稱為紅外線。波長比紫光短的不可見光稱為紫外線

太陽光的各種成分能量不是相同的。主要的能量都集中在可見光部分。這是很好理解的：人眼在進化過程中為了適應太陽， 就把眼睛進化為對太陽光中能量最強的部分最敏感了。

不同波長的光散射能量是不同的。卡文迪許實驗室第二位主任：英國物理學家約翰·斯特拉特（第三代瑞利男爵）研究了光的散射問題，並得出了著名的瑞利散射公式。

瑞利指出：對於尺寸遠遠小於光波長的微小顆粒散射，散射光的強度與波長的四次方成反比。也就是說， 波長越長，散射能力越差；波長越短，散射能力越強。

在可見光中，紫光散射能力最強，而紅光的散射能力最弱。

同時，人的眼睛中有三種可以感覺顏色的圓錐細胞，分別可以感受紅色、綠色和藍色，每種細胞對不同波長的光感受能力不同。相比來講，人眼對黃綠色光最為敏感，這也恰好是太陽光中能量最集中的部分。

現在我們知道了：太陽光的能量分布在可見光最多，短波長散射能力最強，人眼對黃綠色光最敏感，三個因素疊加在一起，人眼感受到天空的顏色最終就是藍色了。不僅僅是天空，廣闊的透明體如水、玻璃等，也會呈藍色。

朝陽和夕陽是紅色的

利用這個原理，我們還可以解釋許多問題。例如：早晨和傍晚，太陽光是偏紅色的。

這是因為：在中午的時候，太陽光垂直射向地面，所需要穿透的大氣層比較薄。但是早上和晚上，太陽光斜射向地面，在大氣中經過的路程比較長。

在這個過程中，短波長的光由於散射能力強，在經過地球大氣的時候大部分都散射掉了，餘下的光就是散射能力最弱的長波長的光，於是就呈現出紅色。

月食時的血月

還有另一個很神奇的現象也可以用這個理論解釋：紅月亮。

由於地球對太陽光的遮擋，在地球後面形成了本影區和半影區。在本影區，太陽光完全被遮擋，在半影區，一部分太陽光被地球遮擋。

如果月球處於地球的本影區裡，就出現月全食。如果月球一部分在本影區裡，一部分在半影區裡，就出現月偏食。當月球掃過地球的本影區時，就會出現偏食-全食-偏食的變化。

按理說，發生月全食時，月球應該消失不見，但事實上，月球會變成暗紅色。這個原因是因為太陽光經過地球表面時，大氣會把陽光進行折射，類似於一個凸透鏡的作用，使原本接近平行的太陽光向內偏折，這樣就能夠照亮本影區中的月球。

但是，由於此時太陽光需要在大氣中通過很長的路程，散射能力較強的短波長光都被散射掉了，能夠通過的陽光主要是波長比較長，散射能力較差的紅光。所以，紅光照射到月球上，就把月球照成了血月。紅光散射能力差，穿透能力最強，所以人們的交通信號燈也採用紅燈表示禁止通行。

看似簡單的問題：天空為什麼是藍色的，其實並不簡單，它蘊含了深刻的物理道理，這個問題直到一百年前才真正被人解釋清楚。

作者李永樂老師：北京大學物理與經濟雙學士，清華大學電子工程碩士；北京市中學物理教師/物理競賽教練。從教十年，培養清華北大學生200餘人，國際奧賽、亞洲奧賽、國家奧賽金牌十餘名。「美提課堂」主講老師。