换个地方，45°仰望天空

天与色，ABC

欢迎来到太阳系行星旅游前期培训班。什么？你问我们班的就业前景？当我们开发了异星旅游航班，你不会为找不到工作而发愁的。想想吧，一飞船的富翁富婆，前往其他行星旅游尝鲜，却什么也不懂，你的讲解将引起他们的尖叫！至于眼下……你听课之后，一些神奇现象会失去它们的神奇属性——不过这并不会妨碍你欣赏它们的美丽。

复习课:“要有光！”

地球人都知道，颜色来自光。所有那些能被我们看到的物体，要么自身会发光，要么能反射其他光源的光。光是电磁波，具有波的特性，有波长和频率，而不同频率的光照进眼球，会通过神经系统传入大脑，在大脑中产生“颜色”的感受。

太阳光需要8.3分钟，才能到达地球。其中含可见光和人类不可见的红外线、紫外线，既然这次我们谈论的是“颜色”，不可见的红外和紫外光我们就直接忽略吧。可见光波长范围比较广：从380纳米到780纳米。根据波长或者频率不同，可见光还可细分为不同的色光：红、橙、黄、绿、青、靛、紫七色，从红光到紫光，光的波长逐渐变短。有些动物能看到的光的范围和人类不一样，我们很难想象在看得见红外光或紫外光的动物眼中这个世界是什么样子的，就像一辈子生活在热带雨林的土著无法想象雪花。

当含有不同色光的阳光照射到不透明物体上，就会发射反射和吸收；如果照射到透明物体上，还会发生透射。发生反射时，如果物体把其他颜色的光都吸收掉，只反射蓝色的光，物体就会呈现蓝色。发生透射时，如果其他颜色的光被吸收掉，只有蓝色的光能透过物体，透明物体就呈蓝色。而如果所有颜色的光都被吸收了，物体在我们的眼中是黑色的。

我知道你完全能够理解这一点，其实我们还可以从动态的角度来看待光的和物体的互动：当光射入透明物质时，它就像极小的弹珠一样，与物质内部的微粒发生频繁的高速碰撞，并被反弹，这就是光的散射。由于光波的波动性，它不容易绕过和它大小差不多的障碍物——碰到与蓝光波长接近的分子，大多数蓝光就会被散射，而波长大于该分子的光，比如红光，就可以把分子遮掩住，几乎不受影响地继续传播。一般来说，波长与物体尺度越接近，越容易被散射；波长比分子尺度长得多的光波被散射的机会较少。

浪漫背景，微粒制造

晴空和落日，是重复出现、百看不厌、屡试不爽的浪漫背景——任何故事，只要加上这样的结尾图景，字幕一现，就很催泪。往下看，我们是来毁浪漫的。

天空不是光源，它要靠反射太阳光而被我们看到。天空的颜色，是阳光被空气中的微粒散射产生的结果。如果没有大气层，比如在月球表面，太阳光几乎不发生散射，从月面看天空背景，天空是一片漆黑。当然，反射阳光的大气层也不能太厚，否则绝大部分阳光都被层层反射回太空，从这样的星球表面看天空，自然也是一片黑暗。显然，在这样的星球表面，你可以早点洗洗睡了。

在地球上，我们为什么有眼福看到的晴朗的深蓝天空，艳丽的血红夕阳？

19世纪末，英国物理学家瑞利(Lord John William Rayleigh，1842年~1919年)首先作出了合理的解释：在洁净的、未受污染的大气中，太阳光的大部分散射是空气中的分子引起的，这些分子的大小比可见光的波长小得多。根据瑞利的计算，散射的光强和波长的四次方成反比。在这种情况下，波长越短的光，越容易受到瑞利散射（Rayleigh scattering）的影响，大气对蓝光的散射要比对红光的散射强5倍以上。波长很短的紫光和靛光虽然在穿过空气时散射得很强烈，但同时它们也会被空气强烈地吸收。当阳光到达地面、进入我们的眼球时，所剩的紫色和靛色的散射并不多。我们所目睹的地球天空的颜色，是光谱中蓝色附近颜色的混合色，它们呈现出来的就是“蔚蓝”。

清晨或黄昏时太阳高度下降，阳光贯穿大气层的距离变长，我们就只能看到蓝黄光被空气分子和大小尘埃散射后，残留下来的红光，因此西边的天空看起来是红色的。

瑞利散射只适用于粒子尺度远小于光波波长的情况，当粒子的尺度大于0.1倍波长时，就不再适用了。那时，我们应该采用严格的散射理论来计算，对应的散射叫米氏散射（Mie Scattering）。其特点是：不同波长的光散射情况近似相同，结果表现为白色。如果大气中充满大量大于1.4微米的水滴，天空将呈现白色；这也就是云为什么是白色的原因。蓝天和白云，分别是瑞利散射和米氏散射造成的结果。

如果你有兴趣进行严格的散射计算，你会发现，我们眼中天空和太阳的颜色取决于空气中的污染物成分和含量。空气中尘埃等污染物越少，天空光越接近纯粹的蓝。冬天，城市上空烟尘往往很多，很容易形成大范围的雾霾，透过这样的霾层，本来已经是橙色的夕阳会变为红色或者深红色。利用这一特点，可以通过观测天空的颜色来对空气污染物进行监控。

火山喷发出的大量的灰尘、热气体和水蒸汽进入大气时，灰尘的颗粒和其他一些微粒会在离地面15千米到20千米之间的地方聚集成层，这个空气层散射太阳光的效果格外明显，绚丽多彩，太阳呈现出蓝色或绿色，尤其是在黄昏时分——有时火山喷发几年之后还能看到这种景象。1815年，在印度洋唐波拉地区人们曾看到过绿色的太阳；1950年9月，法国、瑞士等国家人们看到过蓝色的太阳，这些现象都与空气中特殊的尘埃成分有关。

地球高空，陌生风景

从地面仰望我们地球的天空，天空是蔚蓝的，那么再往高处去，它会是什么颜色呢？观察高度不同，可见光散射的比例就不同，从不同的高度看天空，颜色不同。了解大气层不同高度时天空的颜色，对于现在的我们来说简直是小菜一碟：都有人从大气层的边缘跳下来后活着落地了，随便放个什么探测器拍一下天色的照片还不信手拈来？可对于100年前的人们来说，天空中的秘密遥不可及。

1934年1月，3位具有探索精神的俄罗斯科学家迫不及待地想要了解天空的秘密，于是乘坐氢气球进行高空探测，沿途不断记录结果。以下是这几位勇士对天空颜色的记录：

在距地面8千米以上的天空为青色，很像我们在明朗的春天的天色；气球再升高，青色就渐渐变暗，当高度达到11千米时，天空变为暗青色；到达13千米，天空为暗紫色，升得越高，紫色越暗；21千米，天空竟是黑紫色；气球升高到22千米，这时天空为黑灰色……他们到达了23千米的高空，却不幸遇难身亡。

在地球上，从2千米到20千米高度，空气的成分并无太大的变化，但是天空的亮度是逐渐减小的，在这种情况下，人眼对短波长的光更加敏感，所以看到天空由蓝变青，然后变为紫色、暗紫色。月光的光谱和太阳光的光谱相似，如果不考虑光的亮度，夜空也应该是蓝色。但是由于月光亮度远低于太阳光，晴朗的夜空呈暗紫色或黑灰色。