文／簡麗賢

「天空為何是藍色？」學生問我：「為什麼不是紫色？」解釋這問題與「瑞利散射」有關。

光學現象 天天天藍



眼睛看到大自然中的「顏色」，涉及光學反射、折射、散射等現象，以及人體眼睛的結構。人的肉眼覺察的太陽光，由不同顏色的光組成。「光」指的是可見光，本質是電磁波，亦即可見光是電磁波家族族譜的一種，波長大約介於400奈米到700奈米之間。不同波段的電磁波有其特定波長範圍，不同顏色的光對應不同波長。其中可見光波段的紅光，波長最長，能量較低；紫光的波長則最短，能量是可見光中最高。

光具有直線前進的特性，因此產生影子和日食月食的自然現象。然而，當光遇到大氣中的塵粒、水滴或氣體時，部分的光被吸收或反射、折射。

當光被氣體吸收時，不同波長的光，被吸收的程度也不同。波長較長的光，如紅光，被吸收的程度較低；較短波長的光，例如藍光，被吸收的程度較高。氣體吸收光後，透過輻射，把光射向不同方向，此現象稱為散射。太陽光射進地球大氣層時，藍光被大氣散射，我們仰望天空，看到天藍。

瑞利散射 藍光首選



解釋天空是藍色，採用「瑞利散射」理論。英國物理學家瑞利（John William Strutt）認為，當入射光照到直徑比光的波長小很多的粒子時，光會向四面八方散射，而且光的波長愈短，散射強度愈強，散射光強度與入射光波長的四次方成反比。當太陽光通過大氣時，波長較短的紫、藍光最容易被散射，而波長較長的紅、黃光散射程度較弱。

所以，依據「瑞利散射」理論，光遇到大氣中的微粒，散射光的強度與此光的波長有關。人類肉眼所察覺的可見光，波長較短的藍光比較長的紅光更容易被散射；換句話說，藍光比紅光易發生瑞利散射，白天時天空易呈現藍色。

也許你會問：「既然可見光中波長較短的光容易發生『瑞利散射』，紫光波長比藍光略短，天空豈不是天天天紫？」

氣塵反射 藍天變色



天空不是紫色，理由歸納兩種，一是太陽光的紫光與紫外線波段，進入大氣層後，容易被臭氧層吸收；另一是人類眼睛結構對藍光的光比較敏感，對紫光波段較弱。

你可能再問：「夕陽西下，人約黃昏後，此時天空呈現的顏色偏紅，如何解釋？」可以這麼說，日落時，太陽在地平線下，與白天的太陽位置比較，陽光經過較長的路徑才到達我們的眼睛。波長較短的藍光比較容易被吸收和散射，只剩下波長較長的紅光，因此太陽看起來是紅色。如果當時大氣中分布大量塵粒或水滴，反射紅光，此時天空也會是紅色。