或許孩提時期的天空你也曾好奇過：天空為什麼是藍色的？在成長的過程中，「藍天」的為何概念逐漸被我們視為理所當然，從而不再回憶起這個問題。藍色落時但今天這篇文章，上天色日我們將告訴大家「天空」背後的空本原理並不簡單，我們將深究其中的該紫物理奧秘、解答這個埋藏在許多人回憶深處的出日疑問。

眺望著藍天白雲是麼又一件療癒且解憂的事，從小到大，變橘無論是紅色美術課時的彩繪、語文課時授予的天空形容詞、抑或是為何我們親眼所見的景緻，天空總是藍色落時藍色的、雲朵總是上天色日白色的；日出時分的天際、或者黃昏時分的空本晚霞，則往往是絢麗的紅色。但你曾想過——天空為什麼是藍色的？晚霞又為何是黃色、紅色、甚至紫色的？而夜晚抬頭仰望星空，為什麼又是一片漆黑？

值得注意的是，科學家在400年前基本上便知曉了「彩虹」的成因，然而，「藍天」的成因是在19世紀才被證實。至於「黑夜之所以會黑」的原因，科學家們到近幾十年來才明確得出完善的解釋。為什麼黑夜比藍天整整晚了將近一個世紀才被證實？以下將逐一為大家揭曉。

天空為何是藍色的？

色散與虹彩

在開始回答這個問題之前，我們必須先瞭解幾個常見的光學現象——反射（reflection）、以及折射（refraction）。彩虹的成因便是反射與折射的結合：當陽光射入空中的水滴時，會經過折射、反射，回到我們的眼中。而在折射的過程中發生了「色散」（dispersion），這時我們必須引入另一個重點：入射的陽光是白色的。

「顏色」的根本成因在於「波長」的不同——而光是電磁波，由於一束白光可以被視為不同顏色波段的疊加；反過來說，當白光進入特定介質被折射出去時，便可能被拆分成不同波長的波段、反射入我們眼中時即呈現為各種不同的顏色，這就是「色散」的原理。

當光線經由特定角度（約42度角）進入水滴，就像陽光進入三稜鏡般、會被分離出各種顏色的波段，形成我們所熟悉的「彩虹」。正因為需要特定角度的反射，所以彩虹一般而言不會在正午時分出現（因為正午陽光是直射）、且比較常在雨後出現（因為需要有水滴作為介質）。

圖片來源：由 Eric Rolph at English Wikipedia

彩虹形成的原理在數百年前的西方、甚至是中國唐宋時代便被佐證，17世紀時笛卡爾便算出了彩虹形成的角度、爾後牛頓則透過三稜鏡實驗證明了色散的現象。

漫射與雲層

接下來，讓我們介紹一下天空漫射（diffuse sky radiation），一言以蔽之，就是當陽光穿透大氣層時被各種分子、懸浮粒子散射。

現在請想像抬頭望見的天空佈滿微小的水滴分子，而陽光（白光）進入大氣層後、遂即被這一堆堆微小水滴以各種不同的角度反射至其他方向、有些則反射至你的眼中。理所當然地，在這畫面裡大概只有20％白色的陽光成功進入你的視線、其餘則被反射至其他方向。

因此，你現在畫面中的天空應當是白色的、或者甚至因為進入眼中的白光偏少而顯得有點灰暗——是的，前述那些小水滴，它們正是「雲層」——這個例子說明了為什麼「雲朵總是白色的」。若大氣中的水滴量更多、使得雲層夠厚，便會更少光線進入眼中，這也就是「烏雲」昏暗的原因。

Photo Credit: Castaly Fan (范欽淨)

瑞利散射

現在我們大致上瞭解了「白雲之所以為白」的原因。讓我們回歸主題 — —天空為什麼是藍色的？

天空是藍色的原因與前述類似，無非是陽光進入大氣層後經歷反射、散射的過程，但由於陽光是白色的，並無法解釋天空何以是以迷人的藍色呈現於我們眼中。西元1871年起，瑞利男爵（Lord Rayleigh，他於1904年因發現「氬」（Ar）元素獲得諾貝爾物理學獎）發表了一系列論文，證明了天空呈現藍色的原理，該原理被稱為「瑞利散射」（Rayleigh scattering，又譯「雷利散射」）。

Photo Credit: Castaly Fan (范欽淨)

讓我們先來定義一下「散射」（scattering）這個名詞：當輻射或者粒子通過具有特定位能的區域時，會迫使原本的運動軌跡被改變。也許這麼解釋起來聽起來拗口，因此我們不妨想像一下：當太陽光進入大氣層後，會碰到空氣中各式各樣的分子，或許是水滴、或許是氣體分子、也或許是懸浮微粒（這些物體都具有特定的位能），隨後便會朝向其他不同方向「散射」而去。

散射比較像是一個廣義的名詞，更強調的是介質（在這個例子中便是我們的大氣層）的「不均勻性」。簡言之，「反射」描述的是光線因接觸不同的介質而射回、「漫射」描述的是朝四面八方不同方向的反射現象、「散射」則更強調於光線路徑在微觀尺度下的「偏離」——這些詞彙相當類似，但卻不盡相同。

和普通散射不同的是，瑞利散射描述的對象是比水滴更微小的粒子（比如氣體分子），且闡明了光強度與波長的關聯性。由於雲朵是由雲滴這些空氣中的小水滴所形成，它們的半徑多半大於入射光的波長，因此，我們並不需要用到瑞利散射就可以解釋雲朵是白色的原因。現在，我們必須把前一小節「大氣中佈滿小水滴分子」的假設移除，當你腦海畫面中的天空是真正空無一物、只佈滿完全不可見的微小氣體分子時，瑞利散射便將派上用場。

圖片來源：維基百科

瑞利散射告訴我們：散射光的強度與入射光波長的四次方成反比。

換言之，當光線波長愈短，便愈有可能產生瑞利散射。那麼，波長和顏色有什麼樣的關聯呢？這時你可以參考上圖中的可見光譜，你會發現：紅光波長最長，再來是黃光、綠光，而藍光、紫光的波長則最短。也許你會問：太陽光不應該是白色的嗎？是的，但誠如我們早前提過的，白色的日光事實上是各種不同顏色波段的疊加。