誰造就了璀璨天空？

今年以“鮮豔的天空”顔色命名——為什麼天空除了藍色外還有那麼多色彩

天空的顔色

根據油漆制造商多樂士的說法，2022年天空顔色的關鍵詞将是——“鮮豔”。

這種柔和的藍色我們已經很熟悉了。無論仰望天空的時間和地點，這樣天空的顔色都讓我們習以為常。

然而，假如你從地平線漸漸擡頭，視線擴展到整個天空，在不同的天氣，從黎明到午夜，擡頭仰望，去觀察穹頂之上的顔色，你會發現，天空并非隻有一種顔色，而是五彩缤紛的，絢爛無比。近百年來，物理學家們一直在努力探尋為什麼天空會呈現出如此多彩的顔色，從豐富多彩的藍到璀璨的紅，還有五光十色的綠。當我們仰頭注視這片明亮的天空，沉浸在蒼穹之下，我們發現了什麼？

多樂士顔色鮮豔的天空與接近地平線的湛藍的天空相比，幾乎沒有任何水蒸氣(左圖)，而烏雲密布的天空表明水蒸氣含量更高(右圖)。

圖片來源：Daniel Brown,Author provided

這是因為，太陽光是一種由不同波長的電磁波組成的混合色光，而波長的不同恰恰表現在顔色的差異上。一般來說，較短的波看起來偏向于藍色，稍長的波則看起來是黃色的，更長的波則顯示出紅色的樣子。

當不同的色光一起出現時，便顯現出白色光，太陽輻射的混合色光正是如此，但是這些光在到達我們的眼睛之前必須穿過大氣層，而大氣層中含有許多微粒，它們的直徑比太陽光線的波長要小得多。于是當光線照射到這些微粒時，大氣中的微粒便會将光線散射到各個不同的方向。這種現象稱為瑞利散射。

在這個過程中，波長較短的藍色光更容易被散射，于是大多我們看到的天空都是藍色的。與此同時，太陽看起來更偏向黃色，因為它發出的光中許多藍色光都通過散射削弱了。

在約克郡雕塑公園，通過James Turrell的鹿棚景觀裝置可以直接看到天空。

(圖片來源:Daniel Brown)

白日的天空

白天的天空也并不是到處都是同樣的藍色。你在接近地平線的地方更有可能發現多樂士顯然的天空顔色，那裡的藍色更明顯或更淺。

這是米氏散射的造成的影響，米氏散射與瑞利散射過程相似，但是相比之下，更多由較大的顆粒(如水蒸氣或小水滴中的細微污染顆粒)引起。這些類型的粒子能作用于白光中的紅光、黃光和藍光，并同等程度地去除這些成分，而且這種作用并不會改變穿過大氣層或散射回觀察者的光的顔色。米氏散射導緻了天空變得更白。

這是因為，在地平線上，光線必須穿過更多的地球大氣層才能到達觀察者眼中，自然也要透過更多微粒，于是靠近地平線的天空看起來更偏向于白色。各色的藍總被我們視為天空的天然代表色。而天空的顔色越白，也就代表它含有的其它微粒更多。

18世紀的瑞士地質學家和高山探險家賀拉斯·德·索緒爾發明了一種測量天空中懸浮粒子數量的工具Bénédict，也成為藍度儀，是一個具有53種不同顔色的色輪，供觀察者與天空進行比較，從而更好的判斷當前天空的顔色。

一個現代版的藍度計

（圖片來源：Daniel Brown）

黃昏時分的臭氧藍

如果你在黃昏時觀察天空，漫天的紅映入眼簾，尤其靠近日落方向的天空，總是彌漫着熱烈的紅. 這是由于太陽光在傍晚時穿過的大氣層厚度相比于中午要厚許多，所以當它到達地球前會經曆更多的瑞利散射，也就會失去更多藍色光。當然如果大氣高層出現其它氣溶膠——比如火山爆發産生的灰燼，此時天空呈現的色彩将更加廣闊和多彩。

而太陽落山後，天空将再次呈現出強烈的藍色。但此時就不能完全用瑞利散射或米氏散射來解釋了。這種顔色更多是由于臭氧(一種無色或淡藍色氣體)的存在産生的，臭氧不會散射光，而會吸收和分解光。

而臭氧對天空顔色的影響也隻有在太陽光線需要穿過更多的大氣層才能到達地球時才會被注意到(比如當它從地平線以外的地方穿過時)。它強烈地吸收天空中的紅橙光，使我們在黃昏的天空中看到的少量光變成藍色。

紅色和藍綠色的夜晚

夜裡，如果你去一個沒有光污染的地方仰望星空，你會看到天空彌漫着橙色的輝光，是的，盡管沒有陽光，夜裡的天也完全是黑的。相反，大氣層中仿佛散發着某種微弱的光，我們稱之為空氣輝光。這種光是由海拔60到190英裡(100到300公裡)的氧、氮等元素結合成分子而産生的。

這樣的光一直都在，但是由于太過微弱，在天空中有陽光時很難被看到，但是一旦太陽落去，黑色的天空中就會顯現出一些暗淡的紅色或藍綠色，你可以用比眼睛更靈敏的攝像機捕捉到它們，而由于在低亮度下，我們的眼睛識别顔色的視覺将弱化，因此憑借肉眼或許隻能看到灰黑色。

不同顔色的天空向我們展示了光與大氣相互作用的方式。通過這門科學，我們還學會了通過分析太陽系外行星(系外行星)發出的光來識别和探索系外行星天空中的生命迹象的方法。2001年，我們在天馬座的一顆系外行星HD 209458 b(有時也被稱為奧西裡斯)探測到了大氣層的痕迹。2019年，科學家們甚至在一顆系外行星(k2 - 18b)的大氣中發現了水的痕迹，說明行星的溫度可以支持我們所知的生命。

BY:   Daniel Brown

FY:冰陽

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