【原】為什么天空是藍(lán)色的？為什么天空有那么多顏色？本文一一作答

天文在線 2023-04-08 發(fā)布于云南

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五光十色的天空，出于誰(shuí)之手？

誰(shuí)造就了璀璨天空？

今年以“鮮艷的天空”顏色命名——為什么天空除了藍(lán)色外還有那么多色彩

天空的顏色

根據(jù)油漆制造商多樂士的說法，2022年天空顏色的關(guān)鍵詞將是——“鮮艷”。

這種柔和的藍(lán)色我們已經(jīng)很熟悉了。無論仰望天空的時(shí)間和地點(diǎn)，這樣天空的顏色都讓我們習(xí)以為常。

然而，假如你從地平線漸漸抬頭，視線擴(kuò)展到整個(gè)天空，在不同的天氣，從黎明到午夜，抬頭仰望，去觀察穹頂之上的顏色，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，天空并非只有一種顏色，而是五彩繽紛的，絢爛無比。近百年來，物理學(xué)家們一直在努力探尋為什么天空會(huì)呈現(xiàn)出如此多彩的顏色，從豐富多彩的藍(lán)到璀璨的紅，還有五光十色的綠。當(dāng)我們仰頭注視這片明亮的天空，沉浸在蒼穹之下，我們發(fā)現(xiàn)了什么？

多樂士顏色鮮艷的天空與接近地平線的湛藍(lán)的天空相比，幾乎沒有任何水蒸氣（左圖），而烏云密布的天空表明水蒸氣含量更高（右圖）。

圖片來源：Daniel Brown，Author provided

這是因?yàn)?，太?yáng)光是一種由不同波長(zhǎng)的電磁波組成的混合色光，而波長(zhǎng)的不同恰恰表現(xiàn)在顏色的差異上。一般來說，較短的波看起來偏向于藍(lán)色，稍長(zhǎng)的波則看起來是黃色的，更長(zhǎng)的波則顯示出紅色的樣子。

當(dāng)不同的色光一起出現(xiàn)時(shí)，便顯現(xiàn)出白色光，太陽(yáng)輻射的混合色光正是如此，但是這些光在到達(dá)我們的眼睛之前必須穿過大氣層，而大氣層中含有許多微粒，它們的直徑比太陽(yáng)光線的波長(zhǎng)要小得多。于是當(dāng)光線照射到這些微粒時(shí)，大氣中的微粒便會(huì)將光線散射到各個(gè)不同的方向。這種現(xiàn)象稱為瑞利散射。

在這個(gè)過程中，波長(zhǎng)較短的藍(lán)色光更容易被散射，于是大多我們看到的天空都是藍(lán)色的。與此同時(shí)，太陽(yáng)看起來更偏向黃色，因?yàn)樗l(fā)出的光中許多藍(lán)色光都通過散射削弱了。

在約克郡雕塑公園，通過James Turrell的鹿棚景觀裝置可以直接看到天空。

（圖片來源:Daniel Brown）

白日的天空

白天的天空也并不是到處都是同樣的藍(lán)色。你在接近地平線的地方更有可能發(fā)現(xiàn)多樂士顯然的天空顏色，那里的藍(lán)色更明顯或更淺。

這是米氏散射的造成的影響，米氏散射與瑞利散射過程相似，但是相比之下，更多由較大的顆粒（如水蒸氣或小水滴中的細(xì)微污染顆粒）引起。這些類型的粒子能作用于白光中的紅光、黃光和藍(lán)光，并同等程度地去除這些成分，而且這種作用并不會(huì)改變穿過大氣層或散射回觀察者的光的顏色。米氏散射導(dǎo)致了天空變得更白。

這是因?yàn)?，在地平線上，光線必須穿過更多的地球大氣層才能到達(dá)觀察者眼中，自然也要透過更多微粒，于是靠近地平線的天空看起來更偏向于白色。各色的藍(lán)總被我們視為天空的天然代表色。而天空的顏色越白，也就代表它含有的其它微粒更多。

18世紀(jì)的瑞士地質(zhì)學(xué)家和高山探險(xiǎn)家賀拉斯·德·索緒爾發(fā)明了一種測(cè)量天空中懸浮粒子數(shù)量的工具Bénédict，也成為藍(lán)度儀，是一個(gè)具有53種不同顏色的色輪，供觀察者與天空進(jìn)行比較，從而更好的判斷當(dāng)前天空的顏色。

一個(gè)現(xiàn)代版的藍(lán)度計(jì)

（圖片來源：Daniel Brown）

黃昏時(shí)分的臭氧藍(lán)

如果你在黃昏時(shí)觀察天空，漫天的紅映入眼簾，尤其靠近日落方向的天空，總是彌漫著熱烈的紅。這是由于太陽(yáng)光在傍晚時(shí)穿過的大氣層厚度相比于中午要厚許多，所以當(dāng)它到達(dá)地球前會(huì)經(jīng)歷更多的瑞利散射，也就會(huì)失去更多藍(lán)色光。當(dāng)然如果大氣高層出現(xiàn)其它氣溶膠——比如火山爆發(fā)產(chǎn)生的灰燼，此時(shí)天空呈現(xiàn)的色彩將更加廣闊和多彩。

而太陽(yáng)落山后，天空將再次呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的藍(lán)色。但此時(shí)就不能完全用瑞利散射或米氏散射來解釋了。這種顏色更多是由于臭氧（一種無色或淡藍(lán)色氣體）的存在產(chǎn)生的，臭氧不會(huì)散射光，而會(huì)吸收和分解光。

而臭氧對(duì)天空顏色的影響也只有在太陽(yáng)光線需要穿過更多的大氣層才能到達(dá)地球時(shí)才會(huì)被注意到（比如當(dāng)它從地平線以外的地方穿過時(shí)）。它強(qiáng)烈地吸收天空中的紅橙光，使我們?cè)邳S昏的天空中看到的少量光變成藍(lán)色。

紅色和藍(lán)綠色的夜晚

夜里，如果你去一個(gè)沒有光污染的地方仰望星空，你會(huì)看到天空彌漫著橙色的輝光，是的，盡管沒有陽(yáng)光，夜里的天也完全是黑的。相反，大氣層中仿佛散發(fā)著某種微弱的光，我們稱之為空氣輝光。這種光是由海拔60到190英里（100到300公里）的氧、氮等元素結(jié)合成分子而產(chǎn)生的。

這樣的光一直都在，但是由于太過微弱，在天空中有陽(yáng)光時(shí)很難被看到，但是一旦太陽(yáng)落去，黑色的天空中就會(huì)顯現(xiàn)出一些暗淡的紅色或藍(lán)綠色，你可以用比眼睛更靈敏的攝像機(jī)捕捉到它們，而由于在低亮度下，我們的眼睛識(shí)別顏色的視覺將弱化，因此憑借肉眼或許只能看到灰黑色。

不同顏色的天空向我們展示了光與大氣相互作用的方式。通過這門科學(xué)，我們還學(xué)會(huì)了通過分析太陽(yáng)系外行星（系外行星）發(fā)出的光來識(shí)別和探索系外行星天空中的生命跡象的方法。2001年，我們?cè)谔祚R座的一顆系外行星HD 209458 b（有時(shí)也被稱為奧西里斯）探測(cè)到了大氣層的痕跡。2019年，科學(xué)家們甚至在一顆系外行星（k2 - 18b）的大氣中發(fā)現(xiàn)了水的痕跡，說明行星的溫度可以支持我們所知的生命。

BY: Daniel Brown

FY:冰陽(yáng)

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選文：天文志愿文章組-

翻譯：天文志愿文章組-冰陽(yáng)

審核：天文志愿文章組-

終審：天文志愿文章組-零度星系

排版：天文志愿文章組-零度星系

美觀：天文志愿文章組-

參考資料

1.WJ百科全書