在許多我們司空見慣、熟視無睹的自然現象背後，常常蘊含着深刻的科學道理。

我們擡頭看天，天空是藍色的；蔚藍的天空上飄着白雲，雲是白色的。為什麼天空是藍色，雲是白色的呢？雲隻是白色嗎？為什麼朝霞和晚霞呈現出多彩的顔色？它與太陽和大氣有什麼關系？回答這些問題，我們需要從太陽開始說起。

天空呈現豐富多彩的顔色

我們能看到多彩的世界，無一不與太陽有關，太陽是地球最主要的自然光源，大部分物體所呈現的顔色都是它們散射和反射太陽光的結果。

太陽光是“白色”的。請注意，我在這裡加了引号，因為太陽發出的并不是單一的顔色。如果你在太空，或者從月球上仰望太陽，它發出的是耀眼白光，這是由無數種電磁波組成的複雜光譜，人類可見的波長隻是其中極少的部分，我們稱其為可見光。

人類和大多數哺乳動物可見的光譜波長範圍為380至780nm，它涵蓋了從紫色到深紅色等各種波長的光，也就是我們通常所說的紅澄黃綠青藍紫七色，實際上這其中包含了無數種顔色，當它們混在一起投射到視網膜，我們看到的就是白色。

可見光隻占太陽光譜的一小部分，它們混合起來是白色光

觀察陽光顔色的一種方法是使用棱鏡。光速随着進入棱鏡而略微減小，使其略微彎曲。這稱為折射。折射程度随每個波的能級而變化。

白光通過三棱鏡折射

可見光譜中的每種顔色代表不同波長的電磁波，随着光波波長的增加，其能量會減少。這意味着構成紫色、靛藍和藍色的光波比黃色、橙色和紅色光具有更高的能量水平。最低能量光波折射最少，而最高能量波折射最大。最終結果是光線被分散成彩虹色。

除了陽光和星光，太空是黑色的，這裡沒有任何東西可以折射光線，所以我們看不到任何光。

但在地面，我們白天看到的天空卻大多是藍色的。這是為什麼呢？它是大氣層對陽光散射的結果。大氣中所包含氣體的原子和分子遠小于太陽發出的光的波長，随着光波進入大氣層，其中約有23%的陽光會與空氣原子和分子發生碰撞并向各個方向散射，這被稱為瑞利散射。

可見光中，大氣對藍光的瑞利散射比例最大

瑞利散射是由粒子的電極化引起的。光波的振蕩電場作用于粒子内部的電荷，使它們以相同的頻率運動。因此，粒子變成了一個小的輻射偶極子，我們把它的輻射看作是散射光。天空的顔色是所有波長的光散射的結果。然而這種散射并不均衡，而是傾向于較短的波長。

當陽光進入大氣時，大部分紫色光波首先散射，但在大氣中非常高，因此不容易看到。靛藍色光波緊接着被散射，我們可以從高海拔地區或是飛機上看到它。接下來，波長較短的藍色光波以比紅光波強約四倍的速率散射，它的散射量比其它波長的光波散射更強烈，因此，我們在地面看到到天空中的藍色是太陽被大氣分子散射的藍色、綠色光與其它直達地面的白光混合的結果。

在飛機上，我們看到的天空更靛藍

雲通常是白色的。

與瑞利散射不同，雲中有許多微小的液體水滴和冰晶，這些小顆粒的大小與陽光的波長相近，所以發生在雲層氣溶膠中的散射現象被稱為米氏散射（Mie scattering）。

米氏散射不區分各個波長顔色，它散射所有波長顔色相同，入射的是什麼顔色的光，散射的光也是什麼顔色。當來自太陽“白色”光照射到雲層時，我們就看到白雲。這同時意味着如果陽光的顔色改變，雲的顔色也會跟着發生變化。

我們常見的白雲

雲不總是呈現白色，有時候大氣中的霧霾和灰塵會使它們呈現黃色、橙色或紅色。随着雲層變厚，穿過雲層的陽光會減弱或被遮擋，使雲層變成灰色的烏雲。如果沒有直射陽光照射到雲層，它可能會反射出天空的顔色并顯得偏藍。

地球上最美麗的朝霞與晚霞是陽光在大氣中瑞利散射和米氏散射的優美組合，它通常發生在日出與日落的過程中。

彩色霞光倒映在水面，美輪美奂

瑞利散射與光的波長以及粒子的大小有密切關系。随着空氣分子粒徑與波長的比率增加，瑞利散射輻射的強度迅速增加。此外，瑞利散射輻射的強度在正向和反向上是相同的。

我們在前面介紹了，天空的藍色由瑞利散射産生，因為大氣中的空氣粒子的尺寸遠小于可見光的波長。由藍光的波長較短，其瑞利散射比其他顔色的要大得多。當陽光穿過大氣層時，其藍色成分被強烈地散射，但較長波長（例如紅色/黃色）光則更過地穿過。因此，地面的太陽光看起來是微黃色。在日出和日落期間，瑞利散射對透射光譜的影響要大得多，因為光線必須穿過地球表面附近更多的高密度空氣，所以陽光看起來會更紅。

當太陽下沉到地平線附近時，觀察者看到的光

在上圖中：

A）陽光在大氣層的上層，這裡空氣稀薄，隻有紫色和靛藍色散射。

B）紫色和靛藍顔色的光首先散射，接着是藍色散射。由于折射在光線的路徑上增加了一些長度，大氣會有一些彎曲的光線，它會呈現出黃色。

C）這是具有最大瑞利散射的最大折射和最長光路，觀察者看到太陽的方向紅霞滿天。

由于光在雲層中發生的是米氏散射，所以由那些穿過稠密大氣的紅色、橙色與黃色光會照射在雲層上，加上高層大氣靛藍色背景的映襯，使雲顯示出同樣的彩色。

彩色的雲是瑞利散射與米氏散射共同作用的結果

雲不隻是白色，雲的顔色是在大氣中的陽光照射下、不同光譜和顔色的光在雲層中發生米氏散射的結果。

陽光的可見光譜中含有各種顔色的光波，這些光波擁有不同的能量和波長，更短波長的藍光容易被地球大氣層中的氧氣和氮氣分子瑞利散射，因此天空看起來是藍色的，而太陽光穿過大氣後會偏黃。

雲的顔色與太陽的照射角度和陽光穿過空氣的多少有密切關系。在日出及日落前後，太陽處于地平線附近，陽光需要穿過更多稠密的大氣，同時發生折射，更多的藍光被散射。當剩餘的橙色與紅色光照射在雲層時，它會與雲發生米氏散射，使雲層顯現美麗多彩的顔色。

美麗的霞光

雲可以是半透明的，我們通過雲看到背景藍天，使其外觀更暗；雲層中的灰塵以及水滴的大小也會使雲看起來顯出不同的色彩。