硬派科學│天空的顏色

上面這張圖片摘自維基百科，為日落後約一小時，從500米海拔高度拍攝，天空上部顯示為天藍色，而近地部分顯示出橙紅色。

像這樣景色，相信凡是在沙灘看過日落或日出的朋友都不會陌生。大家當時可能更多的會感慨大自然的壯麗，而不會煞風景的詢問一聲：為什麼？

為什麼在日出、日落時分天空會呈現出天藍、橙紅兩種截然不同顏色？

為什麼中午時分太陽呈白色，而日落時候則呈紅色？

不妨先思考一下？

如果只想忽悠一下小朋友，那你回答：折射，大概也是無傷大雅的，最多稍顯落俗。畢竟面對上述問題，相信大部分的朋友都僅能從腦縫中擠出「折射」二字。

但如果想通過科學來把妹，或者想在女朋友面前顯擺一下，那自然需要解釋更多。

#我錯了，根本不能通過科學來把妹#

要清楚的解釋上述問題，必須了解一個大Boss：

瑞利散射（Rayleigh Scattering）

我們生活中常常會用到「散射」這個詞，而大部分情況下，我們討論的都是「米氏散射」（Mie Scattering），即大顆粒（如：粉塵、水滴等）對光線的散射，這種散射會造成「白」、「灰」兩種結果。例如我們平常看到的「霧霾」

#霾の北京#

那如果，散射光線的是小顆粒呢？如氣體分子或單個原子，粒徑遠小於光線波長。此時就會出現瑞利散射，其中波長越短的光線，散射程度越高。對於白光來說，藍紫色比橙紅色更容易發生瑞利散射。

瑞利散射的過程是怎樣的？

（閱讀障礙或者物理恐懼患者可跳過下一段，直接看黑體部分）

當光線穿過氣體，部分氣體分子的電子會吸收光子，從低能級躍遷到高能級。躍遷後的電子並不穩定，時刻準備著躍遷回來。當它躍遷回來之後，會釋放出一個光子。釋放出來的光子與吸收的光子，能量、頻率、波長等都完全一致。唯一的不同高能級電子釋放光子是朝四面八方隨機釋放的。

簡單來說：向同一方向前行的光子經散射後沒有原來的方向性了，向各個方向亂射；藍光比紅光更容易發生散射。

#原諒渣畫質系列#

明白了原理後，我們就可以把剛才的問題逐個擊破了：

天空為什麼是藍色？

白光中的藍光發生瑞利散射，使得藍光向天空的各個方向照射。

為什麼傍晚時太陽呈橙紅色，正午時太陽呈白色？

傍晚時，光線通過的空氣厚度為A；

正午時，光線通過的空氣厚度為B；

A顯然大於B；

#再次原諒渣畫質#

傍晚時，光線通過的空氣厚度更厚，藍紫光散射得更全面，直射的白光中損失的藍紫光更多，導致直射光線呈橙紅光；

中午時，光線通過的空氣厚度較薄，藍紫光散射損失少，直射的白光中損失的藍紫光少，因此直射光仍呈白色；

故事講到這裡基本上就結束了。最後加一個彩蛋：

氣凝膠（Aerogel）

氣凝膠是世界上密度最小的固體之一。簡單來說：我們平常吃的「啫喱」或者「果凍」如果把裡面的液體替換成氣體，那就成了氣凝膠了。當然骨架可以替換成二氧化硅。

氣凝膠有很多特性，如超強隔熱性、抗壓性等。這些特性今天暫且不表。我們今天說說它的顏色。

#迷の氣凝膠#

上圖的氣凝膠，99.8%是空氣，剩下的0.2%是二氧化硅骨架。二氧化硅性質與玻璃一致，是透明的。

現在問題就來了，氣凝膠中兩種成分都是無色透明的，為什麼整塊氣凝膠則呈天藍色？

其實，這就是天空的顏色。

光線通過氣凝膠並在其內部大量的空氣腔隙中發生千萬億次散射，光程大大擴大，使得原本僅能通過厚達上千米的空氣層才能展示出來的瑞利散射，呈現在你手上的氣凝膠上。

抓住一塊氣凝膠，就相當於抓住了整片天空。

抓住一塊氣凝膠，能順路抓住妹子的心么？

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