图版 13 · 光与声
天空为什么是蓝的
天空不是在映照大海，也不是因为空气里有蓝色的东西。是空气本身，把阳光里的蓝色撒向了四面八方。
向下滚动
白光里藏着彩虹
阳光看起来是白色的，其实是红、橙、黄、绿、蓝、紫各种颜色的光混在一起。雨滴能把它们分开，于是有了彩虹。
这些光以波的形式前进。红光的波最长，蓝光和紫光的波最短，还不到红光的三分之二。
一片草地与它头顶的天空 · 天空颜色由散射计算得出
撞上空气
空气是由氮气和氧气的分子组成的，它们比光的波长小上千倍。阳光穿过空气时，一小部分会被这些分子“弹”向别的方向，这叫作散射。
波越短，被散射得越多：蓝光被散射的程度，将近红光的六倍。所以被撒向四面八方的，主要是蓝光。
四面八方的蓝
当你望向太阳以外的任何地方，看到的就是这些被空气散射过来的光。它们从天空的每个角落射进你的眼睛，以蓝色为主，于是整片天空都是蓝的。
高空远离太阳的地方，蓝色最深。靠近地平线时，视线要穿过更多空气：射向你的蓝光途中又被散射走，更多的红光、绿光被散射进来，各种颜色趋于平均，天空就变得发白。
为什么不是紫色
紫光的波比蓝光还短，被散射得更多。那天空为什么不是紫色的？
一来，阳光里的紫光本来就比蓝光少；二来，我们的眼睛对紫光不太敏感。被散射的光混在一起，在我们看来就是天蓝色。
红色的黄昏
太阳快落山时，阳光要斜斜地穿过厚厚的空气才能到达你，走的路大约是太阳在头顶正上方时的 38 倍。一路上，蓝光几乎都被散射掉了，剩下的是橙色和红色。
所以夕阳是红的，被夕阳照亮的云也是红的。而在这时，你头顶的天空仍然是蓝的。
同一片草地，太阳在地平线附近
同一束阳光，两条路
把中午和傍晚放在一起看。上半幅是中午，太阳高 60 度，阳光穿过的空气只比太阳在头顶时多一成半，蓝光约有四分之三留了下来。下半幅是傍晚，太阳离地平线只有 1.5 度，阳光要斜着穿过约 22 倍的空气，蓝光几乎全被散走，到达眼睛的主要是红光和橙光。
被散走的蓝光并没有消失，它照亮了别处的天空。所以傍晚发红的只是太阳那一边，头顶的天仍然是蓝的。
上：太阳高 60° · 下：太阳高 1.5° · 同一片草地
太空里的黑天
飞出大气层，就没有空气来散射阳光了。即使太阳高悬，天空也是漆黑的。星星依然在那里，只是阳光太刺眼，常常让人看不见它们。
从国际空间站望向地球边缘，大气只是一道薄薄的蓝色光边。我们头顶的整片蓝天，就装在这道光边里。
大气层的厚度被放大了约 6 倍
你来试试
移动太阳，看天空怎样从蓝变红；加厚或减薄空气；再把“颜色不同，散射不同”关掉，看看天空会变成什么样。
试一试关掉“颜色不同，散射不同”，再让太阳落山，晚霞是什么颜色？
讲解视频
我们为抖音做了一段竖屏短片：上下分屏对照中午和傍晚的同一束阳光，结尾回答一个常见的问题——天空是不是大海映上去的。
画面和配音由 AI 生成，是讲原理的示意动画，不是实拍。 在抖音打开 ↗
模型省略了什么
天空的颜色是用三种波长（红 680、绿 550、蓝 440 纳米）计算的，每束光只算一次散射，还加上了一点灰尘和水滴造成的散射，好让太阳周围有一圈光晕。高空的臭氧会吸收一些黄、橙、红光；太阳很低时，头顶的天空仍是蓝的，主要就是因为它。模型里也算进去了。真实的天空里，光还会被散射好几次。“太空”一章里，大气层的厚度被放大了约 6 倍，但光穿过它时被散射的总量保持不变。
一个常见的误解
天空不是因为映照了大海才变蓝的——在沙漠上空，天空一样蓝；海水的蓝，反倒有一部分来自天空的倒影，还有一部分是阳光进入水中又散射出来，红光被水吸收，剩下偏蓝的光。云是白的，是因为云里的水滴比光的波长大得多，对各种颜色的光一视同仁地散射。
资料来源
数据
Rayleigh optical depth checked against Bodhaine et al. (1999); refractive index of air from Peck & Reeder (1972). Elevation and seafloor (globe colors): Terrain Tiles on AWS Open Data; ETOPO1, NOAA; GMTED2010 and SRTM, USGS.
沿这个问题继续
图版 07彩虹为什么是圆的它并不挂在天上的某个地方。它是一圈光，以你头部的影子为中心，半径 42°。
图版 21三种视锥，百万种颜色阳光里的颜色连成一片，眼睛却只用三种细胞去看它们。我们看到的每一种颜色，都是这三种细胞一起“投票”的结果。
