为什么天空是蓝色的？

Question

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Answer 1

“天空为什么是蓝色？”正确的物理解释完成于1910年，迄今整一百年。“天蓝”物 理学的一个重要应用，是光纤通讯，即高锟先生去年获得物理诺贝尔奖的项目。
“天 蓝”物理学似乎很普及。凡是看过“十万个为什么”的初中生，都能说出它的“标准 答案”： “空气中会有许多微小的尘埃、水滴、冰晶等物质，当太阳光通过空气时，波长较短的蓝 、紫、靛等色光，很容易被悬浮在空气中的微粒阻挡，从而使光线散射向四方，使天空呈 现出蔚蓝色。”
中文世界中，大小权威的教育和科学网站，大多仍采用上述“标准答案”，几乎一字不差 。
这 个“天蓝”解释，基本上是十九世纪中叶的水平。它是英国物理学家丁铎尔（John 　Tyndall，1820－1893）首创的。常称作丁铎尔散射模型。确实，“波 长较短的蓝色光，容易被悬浮在空气中的微粒阻挡，……散射向四方”。但它并不是“天 蓝”的真正原因。如果天蓝主要是由水滴冰晶等微粒的散射引起的，那末，天空的颜色和 深浅，就应随着空气湿度的变化而变化。因为当湿度变化时，空气中水滴冰晶的数目会明 显变化。潮湿地区和沙漠地区的湿度差别很大，但天空是一样的蓝。丁铎尔散射模型解释 不了。到十九世纪末叶，丁的天蓝解释已被质疑。
1880年代，瑞利（John　Rayleigh，1842－1919）注意到，根 本不必求助尘埃、水滴、冰晶等空气中的微粒，空气本身的氧和氮等分子对阳光就有散射 ，而且也是蓝色光容易被散射。所以，空气分子的散射就可以作为“天蓝”的主因。
然 而，各个分子有散射，不等于空气整体会有蓝色。如果纯净的空气是极均匀的，分子再 多也没有“天蓝”。就像一块极平的镜子，只有折射或反射，而极少　散射。在均匀一致 的环境中，不同分子的散射相互抵消了。就如在一个集体纪律超强的环境（如监狱）中， 每个人的独立和散漫行为被彻底压缩。而“天蓝”靠的就是分子各自的独立和相互不干涉 ，或少干涉。
为此，瑞利假定，空气不是分子的“监 狱”。相反，氧和氮等分子，无规行走，随机分布 。瑞利由这个模型算出的定量结果，很好地符合天蓝的性质。1899年，瑞利写了一篇 总结式的文章“论天空蓝色之起源”［1］，开宗明义就说： “即使没有外来的微粒，我们依旧会有蓝色的天”。 “外来的微粒”即指丁铎尔散射所需要的。从此，丁铎尔的天蓝理论被放弃。瑞利散射成 为“天蓝”理论的主流。
瑞利的天蓝理论虽然很成功，瑞利的分子无规分布假定，也有根据。然而，瑞利实质上还 要假定空气是所谓理想气体，这是一个不大的，但也不可忽略的弱点。因为空气不是理想 气体。
1910 年，爱因斯坦最终解决了这个问题。爱因斯坦用当时刚刚发展的熵（混乱的度量 ）的统计热力学理论证明：那怕最纯净的空气，也是有涨落起伏的。空气本身的密度涨落 也能散射，也是蓝色光容易被散射。密度涨落的散射，不多也不少，正好能产生我们看到 的蓝天。如果空气是理想气体，爱因斯坦的结果就同瑞利的一样。所以，简单地说，天空 蓝色之起因是： “空气中有不可消除的‘杂质’，即空气自身的涨落。密度涨落等对阳光的散射，形成了 蓝天。”
“天蓝”起源物理不是爱因斯坦首创，但最完整 的理论是爱因斯坦奠定的。所以说，“天 蓝”物理学，完成于1910年。 瑞利和爱因斯坦的“天蓝”理论，是普遍适用的。可以用来解释纯净空气中的“蓝天”现 象，也可以用来解释纯净的水，纯净的玻璃等液体或固体中的“蓝天”现象。当然，也有 该理论不适用的地方。多年前，听到过有人对着“蓝天”发（歌）情，“我爱祖国的蓝天 ”，千万不要误听为“我爱祖国的独立而又无规游荡的分子们”。

Answer 2

阳光进入大气时，波长较长的色光，如红光，透射力大，能透过大气射向地面；而波长短的紫、蓝、青色光，碰到大气分子、冰晶、水滴等时，就很容易发生散射现象。被散射了的紫、蓝、青色光布满天空，就使天空呈现出一片蔚蓝

Answer 3

Answer 4

首先了解光的工作原理，光从太阳传播时，像海浪一样上下移动，波长聚集在一起时，我们看起来好像是白色。