为什么太空是蓝色的？

2025-03-04 19:48:22

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回答1：

　　当我们思考“天空是什么颜色的？”，其实包括了2个子问题：
1、为什么会有颜色？
2、为什么天空会有颜色？一、为什么会有颜色
　　颜色，与光是密不可分的。简单来说，我们看到的物体，要么本身发光，要么本身不发光，反射太阳光。我们早已了解，光是一种电磁波，因为有波动性，所以有波长跟频率。无论是本身发光，还是反射太阳光，最终我们能看到颜色，有“颜色”的概念，本质上，都是不同波长(频率)的色光，通过眼睛，在大脑中引发的一种主观感受。
　　本身发光的物体，发出的光有自己确定的光波频率 (或波长)；本身不发光，反射太阳光的，就要考虑太阳光的性质。太阳光是可见光，波长大致在390nm-780nm间。可见光根据波长范围进一步细分，就划分出可见光谱，简单大体分为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫色光，但我们知道各种色光的波长是一个范围，在光谱区域上是一个波带，所以有更多的过渡色泽。太阳光接触某个物体，要么被反射，要么被吸收，要么就通过。全反射如白墙，部分反射如绿叶(反射绿光，吸收除绿光外其余的可见光)，全吸收如黑色物体，全通过如透明玻片。什么色光被反射(或散射)，取决于物体尺度与色光波长比。色光波长与物体尺度越接近，越容易被反射(或散射)。比如香烟的烟雾呈蓝色，是因为烟雾中的粒子小到与蓝光的波长大致相当，蓝光被散射与“分离”出来。
　　所以，所谓颜色，无非是不同波长(频率)的色光，在人脑中的主观感受。而不同波长(频率)的色光，要么是自有的（光源），要么是散射太阳光后被“分离”出来的。
　　二、为什么天空有颜色
　　顺着上面的思路，天空本身不发光，那么天空有颜色，必定也是散射\吸收太阳光后“分离”出的色光，在天空背景留下，通过眼睛，在大脑中引发的主观感受。那天空中的什么散射了太阳光？答案是大气层、水滴、沙粒、细尘等等，尤以大气层为主。大气层有什么？空气分子，如氮、氧、二氧化碳等。散射，本质上是由于光波的波动不容易绕过和它们大小差不多的障碍物。比如，碰到与蓝光波长接近的分子，则蓝光被散射多，而波长大于它的(比如红光)，则可以把分子遮掩住，几乎不受分子影响，继续传播。所以，波长比分子尺度长得多的光波被散射的机会较少。
　　极端化假设一下：
1、如果没有大气层（也不考虑诸如水滴、沙粒、细尘等），太阳光几乎不发生散射，那从星球表面看天空背景，将是一片漆黑；
2、如果大气层很厚，太阳光中绝大部分，都被层层散射回太空，仅有波长最长的部分色光(如红光)有机会到达低层大气层并发生散射，那从星球表面看天空背景，可能会是红色的；
3、如果大气层非常之厚，太阳光完全被散射回太空，都没机会照到低层大气，那从星球表面看天空背景，又将是一片漆黑；但如果上升到不同大气高度，由于有部分太阳光到达并发生散射，可能天空背景颜色又不一样了。所以，当我们问：“天空是什么颜色的？”，其实也隐含了一个观察高度的问题。大气厚度不同，可见光散射掉的比例不同，所以，从不同的高度(星体固体表面、大气层某个深度)看天空，可能颜色不一样。
　　实际是如此吗？
　　比如水星、地球的月亮，以及其他行星的大多数卫星，都是小星体，重力微弱，不能保留自己的大气，于是大气会慢慢地向太空流散。这样一来，近乎真空的空间会延伸到它们的表面。太阳光在传播途中既不被散射，也不被吸收，会毫无阻拦地射到它们的表面。这些星体的天空是漆黑的，甚至在正午也是这样。
　　比如火星，比地球小，拥有的大气稀薄得多(它表面的气压，大致与地球的平流层达到的高度处的气压相等)，可见光几乎不发生散射，或只散射短波长的紫光，因此似乎可预见，火星的天空是漆黑的或深紫色。但由于火星表面大部分是沙漠，偶尔有剧烈的沙暴，把地面上的细小沙尘吹到高空。沙尘要过好久才会落下来。在天空完全变清之前，又一次沙暴出现了。几乎在每一个火星年中，都会发生全球性的或接近全球性的沙暴，铁锈色的沙尘经常悬浮在火星的天空中，所以，从火星表面看天空背景，是铁锈色的。(1976年7月，美国的“海盗1号”着陆器(在这颗红色行星上成功着陆的第一艘太空飞船)首次从火星表面拍摄照片，经过校正后，得到了从火星表面看天空背景，是介于赭色与粉红色的。)
　　比如金星，大气层厚度大约为地球的90倍(二氧化碳占97%以上，高处云层中还含有大量的硫成分)，基本上大部分色光都不会射到金星表面，而射到表面的光线应是非常红的，天空就像地球上落日景色那样。此外，高处云层中的硫会把天空染成黄色。苏联“金星号”着陆器拍摄的照片证实，金星的天空是橙黄色的。
　　而地球，大气层没有金星那么厚，可见光有更多机会到达低层大气。当太阳光射入主要由氮和氧构成的地球大气层时，短波如蓝光，就被与其尺度相当的空气分子给散射，蓝光分布在天空背景上，所以我们在无云的白昼抬头仰望，可以看见美丽的蓝天。
　　而像太阳系外围的行星—木星、土星、天王星与海王星，它们是庞大的星球，拥有主要由氢和氮组成的深厚大气。它们的固体表面是在大气深处，太阳光根本照射不到。在那里向上望，天空是漆黑的，看不见日出的美景—从来就没有过。但在太阳光能够射到的大气较高处，颜色却又不一样，诚如《暗淡蓝点》所说：
“在木星的高空，在一个由氨(而不是水)的冰粒子形成的高雾层之上，天空几乎是漆黑的。在这下面的蓝天范围内，有一些彩色的云——呈浓淡程度不同的黄褐色，其成分未知。再往下，天空看起来是红褐色的，云层的厚度不一，在薄的地方可以看到一小片蓝天。在更深的地方，又逐渐回到永恒的长夜。
　　天王星，尤其是海王星，有一种古怪的、朴素的蓝色。高速的风使云团(其中有些云稍白)在蓝天浮动。...”