近年沙塵肆虐霧霾猖獗，人們漸漸忘記瞭天空本來的顏色。天空應該是藍色的吧，但天空為什麼是藍色的呢？這要從很久很久以前……光線的特性說起。

話說整個太陽系的自然光源都來自太陽，太陽光是天然復合光，人類感知為白色（在不同時段和場景可表現為偏紅和偏黃，後面解釋），白色復合光經過透射物體折射可分解為不同單色光，最經典的例子就是棱鏡的色散試驗：

它的原理如下圖：

那我再提一個問題，生活中還有一個經常看到的光的色散現象是什麼？不錯，後排那個同學回答的很好，就是彩虹！（鼓掌）

光波的折射有個規律，越是波長短的光越容易被散射分離，而波長越長的光越容易透射過去。那看看下面的圖：

根據以上信息，誰能告訴我，哪種顏色的光最容易被散射和分離啊？

嗯，不錯，就是藍紫色！說到藍紫色，我們腦洞再開一下，紫色是人眼能感知的可見光中波長最短的那端，大傢聽說過紫外線吧，就是比紫色還要短一點點的光波，人眼不可感知，但可以對人體皮膚會造成傷害，也可以加速衰老，它的穿透性比較弱，一般隻能侵及表層，能量很快散失，這就是短波長的特點，容易被偏折也容易被阻隔。

光線經過懸浮細小顆粒也會發生散射，如果顆粒直徑非常小（小於波長的1/4，比如遇到大氣分子）就會發生分子散射（瑞利散射），效果類似三棱鏡。其中藍紫段波長的效果最明顯（原因前面已經說瞭）

這些散射光在高空大氣層彌散，就會呈現上圖色彩，深藍紫色的天空（好深邃好夢幻）。不過這種天空很難見到，需要一定的離地距離，如果離地不夠高，空氣中懸浮物過多，會把紫色光能很快消耗，隻見深藍不見紫，但如果離地太高，達到外太空，空氣太稀薄，陽光散射效應減弱，人眼感知的顏色會變更深更暗直至漆黑，就像上圖遠方群星背景，其實那才是真實外太空的色彩。

隨著距離靠近地球，大氣慢慢變密，顆粒增多，分子散射效果增強，天空中彌散的越來越藍（紫色都被吸收瞭，就像紫外線無法穿透臭氧層一個道理）。這就像在天氣晴朗的高原或山峰看到的頭頂的天空，呈現飽和度極高的深藍色，給人極度純凈的感覺，也確實是空氣質量優異的表現。

但同時，如果往遠處看，看到天際線一帶，卻是魚白色。這是因為水平遠眺時視覺穿透的大氣是近地層，多是大顆粒、小水滴及懸浮污染物等，這時光線不再遵循瑞利法則，而是變成瞭米散射，米散射不遵從分子散射那樣的散射規律而是遵從更復雜的規律，陽光被散射後基本上仍為白光，使周圍大氣變成灰白色。

隨著繼續近地，空氣中的氣溶膠物越來越多，光線從高空投射下來就像要穿過一層紗簾，所以光通量會降低，色彩飽和度也就降低瞭，或許隻有在雨過天晴，空氣中懸浮物較少的時候才會看到較深藍的天空，其餘時間都像下圖吧，

也算藍藍的天，整個視野較明亮，下面這張更明顯些：

有些灰白色的感覺，天空的藍色不夠飽和，充斥著亮光。這是因為米散射的關系，中低層大氣微粒越多，就會向各個角度散射越多的直射日光，其結果，首先，將高層藍色散射光進行再散射，同時結合瞭灰白色直射日光散射，晴天的天空就變得不再那麼藍，但亮度反而提高。其次，太陽周邊產生更大片的直射光散射區，表現為太陽過渡到藍天的中間部分更大，這些部分通常是灰白色的，或者當太陽接近地平線時偏黃，然後漸變過渡到藍天。在中低層空氣高度純凈的地區，例如西藏，我們經常看到太陽周圍很快就是藍天的景觀。下面幾張圖片，大傢體會一些其中區別：

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簡單的說，天空的藍色程度、太陽周邊過渡區大小以及天際的灰白區可以用來作為衡量中低層大氣純凈度的標準。但這裡需要解釋一下，低純凈度並不一定意味著污染或者灰塵大，因為充足的水氣微粒也會造成同樣的效應。當水微粒多到形成霧的時候，不僅藍天完全被散射掉瞭，連直射日光都被散射得隻剩一個模糊的亮點。至於雲層鋪滿天空的陰天，那就不僅是個散射問題，更有反射問題，大量的直射日光被雲層直接反射回太空，這種散射也是全波段的。因此，陰天的光線呈現昏暗的灰色調。雲層越厚，光線越暗，而散射造成的光線的平均化也越高，整個天空基本上是同一個亮度的。

說到這裡，我們不得不要提到霧霾的問題瞭，再看幾張圖：

我還是好心的幫大傢勾勒瞭一下，否則真的無法辨識是哪個城市吧！

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霧霾是霧和霾的統稱，兩者其實是不同的，前者多為懸浮近地空氣中的微小水滴或冰晶，而後者是空氣中的灰塵、硫酸、硝酸等顆粒物組成的氣溶膠系統。但霧和霾經常根據空氣濕度變換比例共同作用。根據微粒大小和濃度不同形成各種視覺現象，顆粒較小時空氣為灰白亮色，主要是米散射效應，如果霧霾較厚重，空氣中的光線會“紅移”，也就是波長短的光波會被屏蔽，而隻顯現波長較長的黃色或橙灰色(之所以把紅移兩個字打引號，因為天文學上還有一個光譜紅移的概念，是另外的原理，有興趣的同學可以自行科普)。這種光線“紅移”現象也可以解釋為何日出日落的陽光是偏紅偏黃的，這是因為太陽接近地平線，需要水平切線穿透較厚雲層和大氣，隻有波長較長的紅黃端才可以透射，如下圖：

這是一個幾乎完美的紅移，下次欣賞日出和落日美景的時候，想著這個原理就對瞭。

同理，如果霧霾比較厚重，即使太陽不是切線方向，也會出現明顯“紅移”，如圖：

如果霧霾的顆粒更大，光線的散射已經不完全遵循米散射，而是會呈現顆粒物自身的色彩，這是視覺感最為糟糕天氣，多數出現在北方，和幹旱土地沙漠化以及大氣環流有關。

不錯，上圖就是沙塵暴瞭！

那到底我們的天空應該是什麼顏色？

簡單的說，如果沒有霧霾沒有沙塵暴的晴天的平原地區（條件好多），由於大氣密度和一定氣溶膠關系，天空會呈現淡藍色（視天氣狀況從淡亮白藍色到藍青色）。隨著海拔增高，大氣密度降低，天空的藍色飽和度增加，由淡藍變深藍，8000米高峰上會是比較厚重深邃的藍。11000米高空，深藍會慢慢變暗，並出現紫色感覺，到13000米時紫色感覺更重，顏色更暗，有些發黑。繼續再高，空氣更加稀薄，越來越多的太陽光直接穿透，等到連最易散射的紫色波長也不能發生散射的時候，整個太空陷入瞭一團漆黑，但是這種漆黑隻是人類肉眼的視覺感受器（眼睛）無法感知的“漆黑”，在這個漆黑的空間，有很多射線自由的穿過，而其中很多都會對人體造成傷害！想到這裡，大傢就會懂得地球的大氣層對人類有多麼重要，它就像給地球穿瞭一件羽絨服和防彈衣，既保溫又防護，所以，珍惜環境，保衛藍天，讓我們的天空一直保持深藍！