🌅天空为什么是蓝的 - 瑞利散射、日落颜色、米氏散射与天空偏振

如何使用光的散射与天空颜色

1. 1在「天空颜色模拟」页选一个场景，或调太阳高度、浑浊度、臭氧，观察全景天空和日面颜色
2. 2查看直射光透过率、大气质量和光谱图，对比大气层外、直射和天顶散射光谱
3. 3在「为什么是蓝不是紫」页看散射光谱和人眼响应如何合成天蓝色
4. 4在「瑞利与米氏」页拖动粒子大小，比较相函数和散射效率；在「天空偏振」页旋转偏振片

常见问题

天空为什么是蓝色的？

空气分子远小于光的波长，散射强度与 1/λ⁴ 成正比：450 nm 的蓝光比 650 nm 的红光散射强约 4.4 倍。太阳光穿过大气时，短波被散射到四面八方，于是无论朝天空哪个方向看，都能看到被散射过来的、以蓝为主的光。这就是瑞利散射。

紫光散射更强，天空为什么不是紫色？

有三个原因：太阳光谱在紫端本来就弱；散射光是一整段连续光谱，人眼看到的是混合色而不是峰值波长；人眼对紫光很不敏感，亮度响应在 400 nm 只有峰值的约 0.04%。把散射光谱乘上三种视锥的响应再合成，结果正是淡蓝色。

日出日落时太阳和天空为什么是红橙色？

太阳低时，光线斜穿大气，路径长度（大气质量）可达头顶时的 10 倍到近 40 倍。蓝光沿途几乎被散射殆尽，剩下的直射光以红橙为主，被它照亮的云和低空也呈红橙色。气溶胶多（灰尘、火山灰）时颜色更浓。日落后头顶的蓝色则部分来自臭氧对橙黄光的吸收。

云为什么是白色的？

云滴半径约 10 μm，比可见光波长大得多（尺寸参数约 100），属于米氏散射/几何光学区，散射效率几乎与波长无关，各种颜色散射得一样多，所以呈白色。云层很厚时光被多次散射，能透到底部的少了，就显得灰暗。

天空的光是偏振的吗？

是的。单次瑞利散射的偏振度 P = sin²Θ/(1 + cos²Θ)，在与太阳成 90° 的方向最大，理论上 100%，实际因多次散射等因素约 70%–80%。转动偏振片或偏振墨镜，这一带天空会明显变暗。摄影用的偏振镜让蓝天更深，就是这个原理，蜜蜂等动物也靠它导航。