天空為什麼是藍色的？

03-01

晴朗的天空，經常是蔚藍色的，特別是一場大雨之後，天空一片幽藍，令人心曠神怡。如果你有留意，就會發現，在你頭頂的天空是藍色的，可是在地平線—天地相接的地方，天空看上去卻幾乎是白色的。我們也觀察到，陰天的時候，或是空氣污染嚴重的城市，天空往往就是白茫茫一片。太陽落山時的傍晚，天空不顯現藍色而顯現紅色，正在下落的太陽也變成暗紅色，這又是為什麼呢？

大自然所展現給我們的各種色彩，是陽光所賦予的，也和我們的眼睛本身有關。我們習以為常的現象，若是用心研究，探其原因，就不得不感嘆其中的奇妙。而天空的顏色，可以用一些大家都能理解的物理知識來解釋，它是天空中的大氣分子、水滴、其他微粒和陽光共同作用的結果。

光是能量以電磁波傳播的一種方式，光和其他波(比如聲波)不同的是具有波粒二象性。這是因為光是由一種無質量的粒子——光子組成，所以光不但具有波的特性，還有粒子的特性。光傳遞能量的大小與光的頻率成正比，而光的頻率正好決定其顏色。但我們的眼睛只能看到其中特定頻率範圍內的光，稱之為可見光，頻率過高(紫外線)和過低(紅外線)，我們都看不見。對於太陽光，牛頓首先用三稜鏡發現其中包含著赤、橙、黃、綠、藍、靛和紫7種顏色。在7種不同的可見光中，紅光波長最長(頻率最低)，紫光波長最短(頻率最高)。我們肉眼所看到的是它們的混合結果。

除非有外界干擾，光都是以直線傳播的。當光在空氣中傳播時，不可避免要遇到空氣中的氣體分子和其他微粒。光其實是像一個波浪那樣在運動的。我們來設想一下一滴雨落在一個水窪里的情景。當這滴雨落到水面上時，就會產生小波浪，波浪一起一伏地變成更大的圈，向著四面八方擴展開去。如果這些波浪碰上一塊小石子或一個別的什麼障礙物，它們就會反彈回來，改變了波浪的方向。而陽光從天空照射下來，一樣會連續不斷地碰到某些障礙。因為光所必須穿透的空氣並不是空的，它由很多很多微小的微粒組成。其中百分之九十九不是氮氣便是氧氣，其餘則是別的氣體微粒和微小的漂浮微粒，來源於汽車的廢氣、工廠的煙霧、森林火災或者火山爆發出來的岩灰。雖然氧氣和氮氣微粒只是一滴雨水的一百萬分之一，但是它們也照樣能阻擋陽光的去路。光線從這些眾多的小「絆腳石」上彈回，自然也就改變了自己的方向。

可是那麼多顏色的光改變了方向，為什麼只有藍色被看到呢？我們還得回到剛才說的那個水窪里。水窪里，小的波浪遇到小石子的話，水面便被搞得混亂不堪；但如果是一個「巨浪」，像你用手在水窪邊掀起的那種「巨浪」，它就有可能幹脆從石頭上溢過去，並暢通無阻地到達水窪的對面邊緣。那麼，就像有大波浪和小波浪一樣，各種各樣顏色的光波也有不同的「波浪」，也就是波長：不過它們可不像水波的波浪，用肉眼是看不出它們的大小的，因為它們小得難以想像，只是一根頭髮的一百分之一！得用很靈敏的測量儀錶才可以精確地測定出來。藍色光和紫色光的波長比較短，相當於「小波浪」；橙色光和紅色光的波長比較長，相當於「大波浪」。當遇到空氣中的障礙物的時候，藍色光和紫色光因為翻不過去那些障礙，便被「散射」得到處都是。

用物理定律來描述，即是散射強度與微粒的大小有關。當微粒的直徑小於可見光波長時，散射強度和波長的4次方成反比，不同波長的光被散射的比例不同，此亦成為選擇性散射。當太陽光進入大氣後，空氣分子和微粒(塵埃、水滴、冰晶等)會將太陽光向四周散射。波長比較長的紅光透射性最大，大部分能夠直接透過大氣中的微粒射向地面。而波長較短的藍、靛、紫等色光，很容易被大氣中的微粒散射。以入射的太陽光中的藍光(波長為0.425μm)和紅光(波長為0.650μm)為例，當光穿過大氣層時，被空氣微粒散射的藍光約比紅光多5.5倍。但是，當空中有霧或薄雲存在時，因為水滴的直徑比可見光波長大得多，選擇性散射的效應不再存在，不同波長的光將一視同仁地被散射，所以天空呈現白茫茫的顏色。

發現這種「散射」現象的科學家叫瑞利，他是在130年前發現的，他也是諾貝爾獎獲得者。但同時，仍然面對一個問題：各個分子有散射，不等於空氣整體會有藍色。如果純凈的空氣是極均勻的，分子再多也沒有「天藍」。就像一塊極平的鏡子，只有折射或反射，而極少　散射。在均勻一致的環境中，不同分子的散射相互抵消了。就如在一個集體紀律超強的環境（如監獄）中，每個人的獨立和散漫行為被徹底壓縮。而「天藍」靠的就是分子各自的獨立和相互不干涉，或少干涉。

為此，瑞利假定，空氣不是分子的「監獄」。相反，氧和氮等分子，無規行走，隨機分布。瑞利由這個模型算出的定量結果，很好地符合天藍的性質。１８９９年，瑞利寫了一篇總結式的文章「論天空藍色之起源」，開宗明義就說：「即使沒有外來的微粒，我們依舊會有藍色的天」。瑞利的天藍理論雖然很成功，瑞利的分子無規分布假定，也有根據。然而，瑞利實質上還要假定空氣是所謂理想氣體，這是一個不大的，但也不可忽略的弱點。因為空氣不是理想氣體。

１９１０年，愛因斯坦最終解決了這個問題。愛因斯坦用當時剛剛發展的熵（混亂的度量）的統計熱力學理論證明：那怕最純凈的空氣，也是有漲落起伏的。空氣本身的密度漲落也能散射，也是藍色光容易被散射。密度漲落的散射，不多也不少，正好能產生我們看到的藍天。如果空氣是理想氣體，愛因斯坦的結果就同瑞利的一樣。所以，簡單地說，天空藍色之起因是：「空氣中有不可消除的『雜質』，即空氣自身的漲落。密度漲落等對陽光的散射，形成了藍天。」

另外，如果說短波長的光散射得更強，你一定會問為什麼天空不是紫色的。其中一個原因就是在太陽光透過大氣層時，空氣分子對紫色光的吸收比較強，所以我們所觀測到的太陽光中的紫色光較少，但並不是絕對沒有，在雨後彩虹中我們很容易觀察到紫色的光。另外一個原因和我們的眼睛本身有關。在我們的眼睛中，有3種類型的接收器，分別稱之為紅、綠和藍錐體，它們只對相應的顏色敏感。當它們受到外界的光刺激時，視覺系統會根據不同接受器受到刺激的強弱重建這些光的顏色，也就是我們所看到物體的顏色。事實上，紅色錐體和綠色錐體對藍色和紫色的刺激也有反映，紅錐體和綠錐體同時接受到陽光的刺激，此時藍錐體接收到藍光的刺激較強，最後它們聯合的結果是藍色的，而不是紫色的。

在地平線—天地相接的地方，天空看上去卻幾乎是白色的。因為陽光從地平線到你這個地方比起它直接從空中落下來，需要在空氣中走的路程要遠得多—而在一路上它所擦過的微粒子也自然就要多得多。這些大量的微粒子就這樣多次散射出光，所以它顯得白中透著淡藍。建議你做一個小實驗來驗證一下：拿一杯水，把它放在一個黑暗的背景里，放進一滴牛奶，再拿一隻手電筒照射杯子的一端，並靠近它，手電筒的光在水中即會顯現出淡藍色。如果你往水裡放進的牛奶越多，水就越白，因為光一再地受到這些眾多的牛奶微粒的散射，結果就是白色的。道理跟在地平線上空是白色的一樣。

太陽落山時的傍晚，天空不顯現藍色而顯現紅色，正在下落的太陽也變成暗紅色，也是一樣的道理。由於傍晚的光在照射到你這個地方的路上所遇到的眾多的微粒，使得陽光中的紫色的和藍色的部分往四面八方散射開去，僅留下一點點使你的肉眼看得見的橙紅色光線—因為它們的波長長、「波浪大」，翻過了路上的障礙。

不過，細心的你會發現，天穹在落日後也還會在一段時間內呈現深藍色。這也曾經是科學家們關心的一件怪事，不過幾個物理學家已經在50年前揭開了這個謎：導致黃昏時天空的藍色，是一種特別的物質。這種特別的物質在離地球表面20至30公里的高空處聚集成厚厚的一個層面，叫臭氧層。這種氣體對正在下落的太陽光起到像顏色過濾器那樣的作用：它截獲太陽光中的黃色和橙色的部分，卻幾乎無阻攔地讓藍色的部分通過。當最後的少許光消失時，所有的顏色才消失在黑暗的夜色中。