爸媽們，為什麼天空是藍色的？
介紹
為什麼天空是藍色的 為什麼天空是藍色的呢？這是一個孩子們常問但父母卻總是答不上來的經典問題。在這篇文章裡，我們會讓你變成了解天空顏色的專家。
圖1：為什麼天空是藍色的？
什麼讓天空看起來藍藍的？
答案在於藍光在大氣中的散射方式。 換句話說，早上的天空看起來藍藍的原因是，陽光中的藍色波長比起其他顏色的光更容易被大氣層散射，從而使天空在各個方向看起來都是藍色的。
要了解更詳細的答案，你需要先了解幾個基本概念。首先，陽光包含了彩虹中的所有顏色（紅色、藍色、綠色等）。另外，你也應該知道光通常是以直線的方式傳播。
圖2：我們只能看到直接進入眼睛的光線。
由於太陽是一個球體，它的光線會向四面八方散發。但我們只能看到直接射入眼睛的光線，而無法看到其他朝不同方向散射的光線。還有一個重要的概念需要了解，我們會在接下來的段落做進一步的解釋。
地球有大氣層
地球的大氣層中含有氧氣和氮氣等微粒。來自太陽的藍光光子撞擊這些微粒，然後向四面八方散射。
圖3：藍光撞擊大氣中的微粒並散射。
部分散射的藍光進入我們的眼睛，這就是為什麼我們看到的天空是藍色的。事實上，是無數藍光光子在天空中散射，使得整個天空呈現藍色。
圖4：無數散射的藍光讓天空呈現藍色。
如果沒有大氣層，無論白天還是晚上，天空都會是黑暗的。
如果沒有大氣層，就不會有光的散射，即使是太陽在頭頂的大白天，天空也會顯得漆黑。你有看過登月的照片嗎？月球上沒有大氣層，所以沒有光的散射，天空總是黑色的。
圖5：沒有大氣層就意味著沒有散射，天空會是漆黑一片。
為什麼從太空看天空是藍色的？
太空人在太空中看不到環繞著他們的藍天。 這是因為他們位於地球大氣層稠密部分之外，那裡沒有足夠的空氣分子將陽光散射到各個方向。 如果沒有這種散射，即使太陽高照，天空看起來也是黑色的。
但是，這並不意味著地球本身不是藍色的。 從太空看，由於海洋反射和地球大氣層內陽光散射的共同作用，特別是沿著地球彎曲邊緣的散射，這顆行星仍然呈現藍色。
這個差異凸顯了一個重要的概念：觀察者需要身處大氣層內才能看到藍色的天空，而藍色的地球則可以從遠處看到，因為陽光與整個地球相互作用。
為什麼紅光和綠光不會在天空中散射呢？
藍光與綠光及紅光的主要區別在於波長不同。 藍光的波長比綠光和紅光短，因此在撞擊大氣中的微粒時，更容易被散射。
圖6：從紅色到綠色再到藍色，波長逐漸變短。
紅光和綠光光子也會散射，但比藍光光子散射得少。大部分的紅光和綠光光子會直線穿過大氣層，而不會像藍光那樣被大量散射，因此我們的眼睛很少能看到它們。
天空總是藍色的嗎？ 為什麼日落看起來是紅色或橘色
這也與大氣層有關，但稍微複雜一點。大氣層在地球周圍的厚度是均勻的。然而，你相對於太陽的位置會影響光線穿過的大氣層厚度。要理解這個現象，你需要用點想像力來描繪這個畫面。
圖7：日落時，地平線呈現紅色是因為光線需要穿過更長的大氣路徑。
正午時，陽光穿過一定厚度的大氣層。然而，黎明或黃昏時，由於太陽位於較低的天空，光線必須穿過更長的大氣路徑。這是因為你和太陽之間的角度變大，導致光線穿越大氣層的距離增加。
圖8：日落時，光線穿過的大氣層路徑比正午時更長。
這段距離讓藍光光子有更多時間散射開來，因為距離增加，角度也隨之變大。因此，主要剩下紅光和綠光穿透。當紅光和綠光結合時，就會呈現日落的橙色光輝。記住，紅光和綠光的散射程度比藍光小。
圖9：大部分的藍光在到達地球表面之前已經被散射掉，留下的是紅光和綠光形成的橙色光輝。
深入探討：為什麼較短的藍光波長比紅光和綠光更容易散射呢？
我們稱這種散射現象為雷利效應，以約翰·威廉·斯特魯特（也被稱為雷利勳爵）的名字命名，他在19世紀提出了這個理論。他使用圖10中的公式解釋了散射與光波長之間的關係。基本上，λ代表波長，而σ則可以理解為散射的量。
圖10：雷利公式解釋了散射與波長之間的反比關係。
當λ（波長）減少時，σ（散射量）增加。因此，較短的波長（例如藍光）會有較大的σ值或散射效果，而綠光的散射較少，紅光則更少。這在光譜圖11中可以看到。
圖11：這張正午天空的光譜圖顯示，藍光的散射量大於綠光，而綠光的散射量大於紅光（不包括遠紅光），這與圖10中的反比公式相符。
雷利效應解釋了這種現象的發生方式，但並未揭示其原因。光的波長與散射量之間的關係，實際上是由光與微粒之間的量子相互作用所決定的。
這一點在後來的一篇論文《原子雷利散射的量子理論》中得到了詳細解釋。該論文由A. P. Vinogradov、V. Yu. Shishkov、I. V. Doronin、E. S. Andrianov、A. A. Pukhov和A. A. Lisyansky於2020年發表。這篇論文深入探討了亞原子粒子、電子狀態和粒子之間的相互作用等議題，這遠超過本文的範圍（詳情請參見文章末尾的參考文獻）。
圖12：黃昏時的光譜——地平線上方有更多的紅光和綠光。
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總結
天空為什麼是藍色的其實並不難理解。 太陽光包含了彩虹中的所有顏色。 藍色光線在大氣中碰到微粒（如氧氣、氮氣）後會向各個方向散射。 一部分散射的藍色光線進入我們的眼睛，讓天空看起來是藍色的。 而其他顏色（如紅色、綠色等）由於波長較長，不容易散射。
這就是天空為什麼是藍色的原因。
爸媽們也可以是科學家！
了解更多——什麼是光？它從哪裡來？（點此了解）。
圖13：爸媽們也可以是科學家！
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參考資料：
- XXXIV. On the transmission of light through an atmosphere containing small particles in suspension, and on the origin of the blue of the sky | William John Strut a.k.a Lord Rayleigh |1899 | https://zenodo.org/records/1431249
- 《原子雷利散射的量子理論》 | A. P. Vinogradov, V. Yu. Shishkov, I. V. Doronin, E. S. Andrianov, A. A. Pukhov, 和 A. A. Lisyansky | 2020年10月 | https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-29-2-2501id=446591
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