对一个充满好奇心的孩子来说，第一个可能对自然世界提出问题就是：“天空为什么蓝的？”
尽管这个问题是如此的普通，但许多理解仍存在偏差，例如：因为它会反射海洋的颜色；因为氧气是种蓝色气体；因为阳光有一种浅蓝色的色调等等，而正确的答案却往往被忽视。还有另外一个同样有趣的问题则是：“为什么从太空中看地球是蓝色的？” 这可跟地球的大气一点关系都没有哦！
下面就让我们来探讨这两个问题。
Robert Villalta / Pexels
01
天空为什么是蓝色的？
事实上，天空呈蓝色的原因是三个简单因素的结合：太阳光由许多不同波长的光组成，地球大气由对不同波长的光有着不同程度散射的分子组成，以及我们眼睛对不同波长的光敏感度不同。综合考虑到这三个因素，就会发现蓝色是天空命中注定的颜色。下面，我们就来看看它们是如何结合在一起的。
○ 阳光是由许多不同波长的光组成的，并非所有都可见。地球大气对不同波长的光有着不同程度的影响，因此我们才能观测到不同的光学现象。 | 图片来源：Negative Space / Pexels
阳光由各种不同颜色的光所组成的。太阳的光球层温度很高，将近6000K，它辐射的电磁光谱范围非常广，从最高能的紫外线到可见光，从紫光到红光，然后再深入红外光部分的光谱。光的能量和波长呈反比（和频率呈正比），能量越高波长越短，反之亦然。棱镜可以将阳光分解成各种不同的光，原因就在于较红的光具有比较蓝的光更长的波长。
○ 光线进入棱镜后被分解成不同颜色的光。 | 图片来源：LucasVB / Wikimedia Commons
事实上，不同波长的光与物质的相互作用有不同的反应这一事实在我们的日常生活中是非常重要且有用的。例如，微波炉中的大孔洞，它能够让短波的可见光进进出出，但又能使波长更长的微波被困在腔内来回反射；再如太阳镜上那层能反射紫外线、紫光和蓝光，但允许较长波长的绿、黄，橙、和红光通过的涂层；而构成我们大气的那些微小的粒子，像氮、氧、水、二氧化碳分子以及氩原子，虽然能够散射所有波长的光，但对短波的光具有更高效的散射。
○ 瑞利散射。 | 图片来源：Hyperphysics
由于这些分子的大小都比光本身的波长小得多，光的波长越短，被散射得越厉害。它在计算上遵循的一个叫瑞利散射的法则。根据这个法则，我们发现可见光短波极限处的紫光比长波极限处的红光散射的频率要高出九倍以上。（散射强度与波长的四次方成反比：I ∝ λ-4 ）当太阳光落在地球大气层时，较红的那部分光只有约11％会被散射，再以看着像紫色的光一样抵达我们的眼中。
因此当太阳高高悬挂在天空中时，整个天空都是蓝色的。根据太阳的位置和你正在观看的区域，天空的颜色会出现一些有趣的现象。
○ 在日落之后或日出之前，从非常高的海拔上可以看到阳光被大气层散射后呈现出的多彩画面。 | 图片来源：Public domain
如果太阳低于地平线，那么光线都必须穿过大量的大气。蓝光在各个方向都能被散射，而较红的光被散射得要少得多，这意味着它穿过大气抵达我们的眼睛。如果你有过在日落之后或日出之前乘坐飞机的经历，就应该看到过这一壮观的景象。而在外太空中的宇航员则有机会观看到更加美轮美奂的画面。
○ 2010年5月，在日落期间从国际空间站上眺望地球的大气层。 | 图片来源：NASA/ISS
在日出、日落或月出、月落时分，来自太阳或月亮的光必须经过大量的大气；它们越是接近地平线，光需要通过的大气就越多。蓝光会被全方位的散射，而红光被散射的效率要低很多。这意味着太阳或月亮自身会变红，而太阳和月亮附近的光，也就是在抵达我们眼睛之前接触到大气然后散射的光线，在那一段时间都会呈红色。
○ 由于要穿过大量的大气，从太阳（或月亮）来的光线在接近地平线的时候会偏红。 | 图片来源：Max Pixel / FreeGreatPicture.com
而在日全食期间，月亮的阴影阻止阳光直射到你附近的大部分大气层，地平线会变红，但其他地方不会。因为在整体路径之外的光线会散射到在各个方向，这就是为什么大部分天空仍是蓝色。但在地平线附近，各个方向被散射的光很可能在它到达你的眼睛之前再次被散射。而红光是最可能穿越一切的光波，并最终超越了被更有效散射的蓝光。
○ 瑞利散射影响蓝光的程度要比红光严重的多，但在可见波长中，紫光才是被散射的最厉害的。但由于我们眼睛敏感度使我们看到蓝光，而不是紫光。 | 图片来源：Dragons flight / KES47 of Wikimedia Commons
说到这里，你可能还有一个问题：如果较短波长的光被散射得更厉害，那为什么天空不是紫色的呢？事实上，与蓝光相比，有更大量的紫光会穿越大气，但其他颜色的光会混合。人的眼睛有三种用来侦测颜色的视锥，以及单色视杆，当接收到一个信号时，人的大脑会对它进行解读并将其与一个颜色进行匹配。
每种类型的视锥和视杆，都对不同波长的光敏感，但是它们都被天空激发到一定程度。我们的眼睛对蓝色、青色和绿色的光比对紫光反应更强烈。即使天空中存在更多的是紫光，但它仍不足以与我们大脑内强大的蓝光信号相抗衡。
正是这三个因素组合在一起，即：
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太阳光是由许多不同波长的光组成
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大气中的粒子颗粒非常小，能更有效的散射较短波长的光
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人的眼睛对不同颜色有不同敏感度
使得天空在人的眼中呈蓝色。如果我们能够非常有效地看到紫外线，天空可能会有更多的紫色；如果我们像狗狗一样只有两种类型的视锥体，那我们就只能看到白天时的蓝天，而看不到日落时的红色、橙色和黄色。
但当我们从太空看地球时，地球也是蓝色的——别被骗了，那跟大气层可一点关系都没有！
02
为什么从太空中看到的地球是蓝色的呢？
火星是颗红色星球，月亮是灰白色的，土星放出黄光，我们的太阳是闪耀着的是璀璨夺目（看多了要瞎）的白光。而我们居住的地球，无论从深空、还是略高于我们的近地轨道、亦或是去到太阳系的外太空，看到的地球都闪耀着美丽的蓝色。但这是为什么？为什么地球看上去是蓝色的？
首先，不是整个星球都是蓝色的。云层本身是白色的，反射白光。另外，因为相同的原因，像地球两极上帽子一样的冰雪也是白色的。从远处看到的大陆，看上去要么呈棕色，要么是绿色，这取决于当时的季节以及当地的植被覆盖情况。
○ 图片来源：NASA Earth Observatory
从中我们了解到的重要信息是：地球不是因为天空和大气是蓝色而呈蓝色的。因为如果是这样的话，那么从表面反射出的光将都是蓝色，这与我们看到的情况不相符。但也有真正来自蓝色的部分——海洋。地球上蓝色的程度取决于海水的深度。仔细看下图，你会注意到相比于深蓝色的海洋，与大陆毗邻的区域（沿着大陆架）会出现较浅的青绿色色调。
○ 图片来源：NASA’s Blue Marble / VIIRS / Suomi NPP
你可能听说过“海洋之所以是蓝色，是因为天空是蓝色的，海水正是反射了天空的颜色”这样的论调。我们已经在上文讨论过天为何是蓝色的了。但如果真的只是简单的因为海洋反射了天空的颜色，那我们就不应该看到海洋出现这些深浅不一的蓝色。如果你在自然光条件下在深入水中拍摄照片，就会注意到当潜到一定深度时，周围所有的一切几乎都会呈淡淡的蓝色。
事实是，海洋是由水分子构成的，像所有分子一样，水分子能优先吸收某些波长的光。最容易被水分子吸收的光是红外线、紫外线和红光。这意味着如果你潜到更深的深度时，你从太阳那里感受到的温暖会更少，你将免受紫外线的辐射，周围的事物开始变蓝，如同红光被完全夺走一样。
再往深处一点，橘色光也彻底消失了。
○ 图片来源：Dennis Jarvis
再向下，黄光，绿光和紫光都开始不见。
最后当我们到达几公里的深度时，蓝光也消失了。
这就是为什么最深的深海处是深蓝色的，因为所有其他波长的光波都被吸收了，而最深的蓝色最有可能被反射并重新辐射回宇宙。这也是为何假如整个地球都被海洋覆盖，那么只有11％的来自太阳的可见光会被反射回太空中去，因为海洋实际上相当擅长吸收阳光！
基于地球70％的表面被海洋覆盖，且大部分都是深海区这一事实，导致我们的世界从远处看来是蓝蓝的。
○ 海王星（左）和天王星（右）。 | 图片来源： NASA / Voyager 2
太阳系里的另外两颗蓝色星球天王星和海王星，其大气层主要由氢气、氦气和甲烷构成。（海王星有更多的冰，并具有更多种类的化合物，因此会出现不同色调。）在足够大的浓度下，甲烷在吸收红光和反射蓝光方面要强一些，而氢气和氦气几乎对所有可见光谱都透明。对于蓝色的大型气体星球来说，其颜色实际是由天空本身的颜色决定的。
但对地球来说，我们的大气层很薄，不足以对我星球的着色负责。天空和海洋并不是因为互相反射才呈蓝色，而是它们本身各自都是蓝色的。
如果你能设法把海洋全部吸干，那么在地球表面的人看到的天空仍是蓝色；如果你能设法把天空撤掉，但仍以某种方式维持地表的液态水，那么从太空中看我们的地球还是仍然是蓝色。
蓝色是我们这颗小小星球的本命色啊！
本文经天体物理学家 Ethan Siegel 授权编译整理，原文发表于2017年9月8日和2016年3月4号的《Forbes》。
