當(dāng)我們躺在草地上，微風(fēng)拂面，蔚藍(lán)的天空映入眼簾，身心感到放松時(shí)，你有沒有想過，天空為什么是藍(lán)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(xí)以為常的自然現(xiàn)象，背后隱藏的物理規(guī)律卻并不簡(jiǎn)單，說它不簡(jiǎn)單，那是因?yàn)殛P(guān)于“天空為何藍(lán)色”的正確解釋，直到19世紀(jì)末20世紀(jì)初才由科學(xué)家給出了完善答案，要知道那時(shí)已經(jīng)距離牛頓開創(chuàng)經(jīng)典力學(xué)體系已經(jīng)過去了足足兩個(gè)多世紀(jì)。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(shí)也不算復(fù)雜。
關(guān)于歷史上是誰第一個(gè)對(duì)天空為何是藍(lán)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(gè)問題。
首先不管天空是什么顏色，前提都是空中的光子進(jìn)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(fù)合光，是因?yàn)榕ｎD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(lán)色是不是也因?yàn)樘炜罩写嬖谥愃迫忡R一樣的東西，將光分解了？
但仔細(xì)一想，這樣并不正確，太陽光經(jīng)過三棱鏡會(huì)分解成數(shù)種顏色的光，那是因?yàn)檎凵涞脑?，如果是這樣，我們看到的天空不應(yīng)該只是單一的藍(lán)色，而是七彩斑斕的才對(duì)。如果不是折射的原因，難道是因?yàn)樗{(lán)色光在穿越大氣層的途中被“阻攔”了下來，導(dǎo)致它們無法抵達(dá)地面，只能在大氣層內(nèi)不斷的“游蕩”？
總的來講，這是一個(gè)光學(xué)現(xiàn)象，涉及光線穿越介質(zhì)時(shí)的情況，因此我們可以從相類似的丁達(dá)爾效應(yīng)說起。
關(guān)于這個(gè)效應(yīng)，相信很多讀者朋友在學(xué)習(xí)中學(xué)化學(xué)時(shí)都有接觸，老師告訴我們，丁達(dá)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(duì)準(zhǔn)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(dá)爾效應(yīng)是英國(guó)科學(xué)家約翰·丁達(dá)爾于1869年發(fā)現(xiàn)的，其背后的微觀解釋是因?yàn)槟z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(zhǎng)范圍，因此當(dāng)光線通過時(shí)，就會(huì)發(fā)生散射的現(xiàn)象（如果微粒的直徑過大，比光波長(zhǎng)還要大很多時(shí)，就會(huì)出反射現(xiàn)象）
因此當(dāng)時(shí)的人們用丁達(dá)爾效應(yīng)用來解釋天空的顏色，認(rèn)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(shí)，會(huì)不可避免的遇到這些微粒，將太陽光中的波長(zhǎng)較短的藍(lán)色光散射到整個(gè)天空當(dāng)中，因此整個(gè)天空才會(huì)呈現(xiàn)藍(lán)色。
這種解釋看上去似乎并沒有什么問題，不過實(shí)際上在丁達(dá)爾效應(yīng)中，散射光的強(qiáng)度與入射光波長(zhǎng)之間的關(guān)聯(lián)并不是很強(qiáng)，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?！边@一點(diǎn)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(dāng)然”的，但這些小微粒的濃度卻是一個(gè)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(dǎo)致天空的顏色出現(xiàn)差異。
但實(shí)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(dá)爾效應(yīng)的解釋不一致。如果概括來講，就是丁達(dá)爾效應(yīng)解釋“天空為何是藍(lán)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(huì)很明顯。
但實(shí)際上，這一點(diǎn)并不存在，那么天空到底為什么呈現(xiàn)藍(lán)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?yàn)榇髿庵械母鞣N氣體分子嗎？
很幸運(yùn)，我們的想法和著名物理學(xué)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(xué)家開爾文身上，實(shí)際上他的本名叫做威廉·湯姆遜）
在經(jīng)過仔細(xì)研究后，瑞利發(fā)現(xiàn)，散射現(xiàn)象不僅僅會(huì)發(fā)生在雜質(zhì)微粒身上，對(duì)于單獨(dú)的原子或分子而言，散射現(xiàn)象同樣會(huì)發(fā)。這被稱為瑞利散射，一般來說，當(dāng)粒子的直徑遠(yuǎn)小于入射光波長(zhǎng)時(shí)（不超過波長(zhǎng)的十分之一），散射光的強(qiáng)度同入射光的頻率呈四次方正比關(guān)系（也即是和波長(zhǎng)呈四次方反比），因此對(duì)于波長(zhǎng)越短的光，散射就會(huì)越強(qiáng)，如果以太陽光為例，那么位于可見光范圍內(nèi)的短波藍(lán)紫光就最容易被散射開。
那么對(duì)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(huì)由于大氣分子的散射作用，而使得太陽光中的藍(lán)紫光被散射開，從而彌漫到整個(gè)大氣層，因此瑞利散射是天空呈現(xiàn)藍(lán)色的原因。
而日落時(shí)的夕陽正是這一理論的最好驗(yàn)證。
考慮到地球是一個(gè)球體，因?yàn)榘厍虻拇髿鈱涌梢钥醋鍪且粋€(gè)球殼，一般在每天正午左右，太陽位置達(dá)到每天的最高點(diǎn)，此時(shí)太陽光從大氣層穿透到地面上時(shí)，經(jīng)歷的大氣層厚度是一天當(dāng)中最短的；而到了日落（或者日出）時(shí)，太陽光所經(jīng)歷的大氣層厚度是一天當(dāng)中最長(zhǎng)的，關(guān)于這一點(diǎn)從下圖比較直觀的看出來
而穿過的距離越長(zhǎng)則意味著更多的藍(lán)紫光被散射，于是最后只有偏紅的光抵達(dá)地面，這就是為什么在日落時(shí)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(lán)色或者更暗的顏色（畢竟太陽要落山了，即將要進(jìn)入夜晚）
