如果大气层厚度改变，天空还是蓝色的吗？

来源:中科院半导体所发布时间:2023-03-112307浏览

来源：石头科普工作室作者：杨柳

如果大气层厚度改变，天空还是蓝色的吗？

在散射这一光学作用下，光线与大气分子以及无数悬浮颗粒相遇，改变了能量和方向，向四周传播开来。于是，晴空弥漫成蔚蓝，晚霞晕染出橙红，海浪翻滚起洁白的浪花，微观世界的每一丝波动都有可能引起大自然色彩的万千变幻。那么，散射分为哪几种情况，我们在不同大气层高度看天空，天空的颜色是一样的吗？又如果我们的大气层厚度发生改变，天空还会是蓝色的吗？快来探究一下吧。

大气散射，就是当光束遇到大气分子或气溶胶粒子时，光线会以质点为中心而向四周传播开来的现象。常见的散射又分为三种类型：瑞利散射、米散射和拉曼散射。这三种现象结合起来可以解释生活中的很多光学现象。

图一散射现象示意图，太阳光照射到云滴上，光线被打乱了，并向四面八方射去

首先，小编来给大家介绍我们最常听到的瑞利散射。当粒子尺度远远小于入射光波长时（小于波长的十分之一），发生的散射即为瑞利散射，其各个方向上散射光强度是不一样的，在光线入射方向，散射最强，在垂直入射光方向上，散射最弱（图二左）。对于瑞利散射，其散射强度与入射光波长四次方成反比，如图二右所示，即入射光波长越长，散射越弱（越不容易被粒子散射），穿透能力越强；波长越短，散射越强（越容易被粒子散射），穿透能力越弱。

图二瑞利散射示意图（左），及瑞利散射强度随波长的变化（右）

晴朗的天空中，尘埃和水汽都较少，以大气分子为主。由于太阳光波长（400-800纳米）远大于大气分子（1纳米左右）直径，故常发生瑞利散射。正午时，太阳光（各种频率、颜色的光）直射大气层，传播一定的距离后，波长较短的蓝光大部分被大气分子散射到四面八方，而波长较长的红光散射较少，因此我们看到的天空就是蓝色的。由于太阳辐射中的蓝紫光都被散射掉了，所以当我们直接观察太阳时，太阳就呈现了互补色，也就是黄色。

图三太阳光入射大气层示意图

清晨或傍晚时，太阳光斜射大气层，光路走过的路程较中午更长，在大气层上部蓝光几乎被散射殆尽，随着光线继续向地面传播，大气就主要散射红光，因此朝霞和晚霞是红色的（图四）。

图四傍晚的天空，大气上部主要散射蓝光，低层大气主要散射红光。我们站在地面上，就会看见红色的朝霞和晚霞。

到这里也许大家会好奇，紫光波长比蓝光更短，应该更加容易被散射，但天空为什么不是紫色的呢？这里原因有三，第一，根据太阳辐射光谱，各波长辐射强度不同，紫光辐射强度低于蓝光（图五），所以到达我们眼中的紫光能量是很微弱的；第二，臭氧层也会强烈吸收紫外线（包括紫光）；第三，人眼对紫光不够敏感。

图五太阳辐射光谱

瑞利散射是当粒子远小于入射光波长时发生的现象。如果粒子尺度接近或大于入射光波长，散射的光强在各方向是不对称的，其中大部分入射光线沿着前进方向进行散射（图六），这样的现象称为米散射。米散射（图六黄色区域）强度比瑞利散射（图六蓝色区域）强得多，且散射强度随波长的变化不如瑞利散射剧烈，当波长逐渐增大，散射强度以震动形式趋于一定值。

图六米散射与瑞利散射对比

天空中的云朵是由大量小水滴和小冰晶聚集形成的，它们的直径多为0.01-0.1mm，比太阳光波长更长。于是，当光透过云彩时，便会发生米散射，各个波长的光散射强度差异不大，它们混合在一起，就会使散射光和太阳光一样呈现白色，我们看到的云朵就多为白色。降水快要发生时，大气水汽含量较高，云中凝结的小水滴越来越大，对太阳光的折射和吸收效应增强，云朵就变暗了，这就是我们看到的乌云。同理，污浊的大气中，尘埃粒子更多，它们多为直径较大的颗粒，此时光线也会发生米散射，白色的散射光充斥空中，天空看起来就灰蒙蒙的。

米散射和瑞利散射均为弹性散射，也就是说，在传播过程中光束的频率和能量不发生变化，在远端发射红光，人眼所见即为红光。如果在透明介质传播时，光束的频率发生了改变，比如在图七中，激发光为绿色，但在光束中间我们看到的颜色是黄色和红色，这种现象就称为拉曼散射，它是非弹性散射中的一种。拉曼散射强度很弱，约为瑞利散射的千分之一。

图七拉曼散射效应(图源：小红书@shuihua)

最后给大家解答我们开始的两个提问:

(1) 如果我们在不同大气层高度看天空，天空的颜色是一样的吗？

大气密度随高度急剧降低，即高层大气中气体分子较少，低层大气中气体分子较多。故自低层向高层，大气分子的散射效应相应减弱，天空的颜色也随高度由蔚蓝色变为青色（约 8km）、暗青色（约 11km）、暗紫色（约 13km）、黑紫色（约 21km），再往上，空气非常稀薄，大气分子的散射效应极其微弱，天空便为黑暗所湮没。

(2) 如果我们的大气层厚度发生改变，天空还会是蓝色的吗？

实际上，我们看到天空最常呈现两种颜色（蓝色和红色），有一个隐含条件，就是大气层厚度不发生改变。如果大气层变厚一些，大气分子对阳光的散射、反射和吸收增强,我们眼中的天空颜色就会变淡、变暗一些，或近似白色。如果变得无穷厚，便不会有光透射。如果大气层变薄，此时更多散射的则是比蓝光波长更短一点的光，那么我们看到天空的颜色会更深一些，呈现深蓝色。