關(guān)于“天空和海水為什么是藍(lán)色”的問題，相信很多人已經(jīng)有所了解，但可能很多人并沒有真正搞清楚。

先來看天空的藍(lán)色的形成機(jī)制。

簡(jiǎn)單地說，它包含三個(gè)方面的原因。

第一，太陽光譜是具有黑體輻射類型的連續(xù)光譜，包含了各種不同的頻率。其中人眼可見的部分，即可見光（380~750nm）中包含了波長(zhǎng)在450~490nm的藍(lán)光，它的比重較同為短波的紫光（380~450nm）更高。

太陽的光中的可見光

下圖給出經(jīng)過大氣層之后的太陽光的波長(zhǎng)分布情況，可以看出，藍(lán)光的比重仍然比紫光高。

太空和海平面上的太陽光譜

巧婦難為無米之炊，假想若太陽的光譜不是這樣的，例如不含藍(lán)色或藍(lán)光比重很少，那自然就不可能照出實(shí)際的藍(lán)色天空了。

所以，正是太陽光提供了充分的顏色“原材料”，才為最終的藍(lán)色天空提供了基礎(chǔ)條件。

第二，一種光散射機(jī)制，即所謂瑞利散射（Rayleigh Scattering）的作用。

按照瑞利散射公式，光的散射強(qiáng)度 滿足如下規(guī)律，

其中， 是光的入射光強(qiáng)度， 是入射光的波長(zhǎng)， 是散射角（入射光方向與散射光方向之間的夾角）。

顯然，在入射光的平行和反平行方向上，光散射程度最強(qiáng)。

而在相同的散射角的情況下，散射程度與光的波長(zhǎng)的4次方成反比。

可見光范圍內(nèi)，紫光和藍(lán)光的波長(zhǎng)最短，所以它們的散射最強(qiáng)。

如下圖所示，太陽光射到大氣層之后，其他的光幾乎都繼續(xù)沿原方向前行，但藍(lán)光和紫光被散射到各個(gè)方向，它們就像被打翻的顏料盒一樣，將大氣層染成藍(lán)紫色。

光在大氣中的瑞利散射

雖然按瑞利散射，紫光的散射程度比藍(lán)光強(qiáng)。但根據(jù)上述第一點(diǎn)——紫光的“原材料”含量相對(duì)較低很多，所以紫光散射后的絕對(duì)強(qiáng)度比藍(lán)光要弱一些。

以上兩個(gè)原因結(jié)合在一起，天空本應(yīng)該是藍(lán)紫色，但為什么最終我們看到的是藍(lán)色呢？這就要涉及人的視覺系統(tǒng)方面的原因了。

第三，人眼的視覺系統(tǒng)對(duì)不同頻率的光的敏感度不同。

首先，作為一個(gè)次要因素，人眼的晶狀體會(huì)吸收大量波長(zhǎng)小于400nm的紫外線，并對(duì)約400-430nm的紫光也有部分吸收，從而減少到達(dá)視網(wǎng)膜的紫光。

而更重要的，這背后是視網(wǎng)膜的視錐細(xì)胞響應(yīng)度的疊加效應(yīng)的作用以及藍(lán)紫光下人眼視覺靈敏度降低的緣故。

決定顏色感知的是視網(wǎng)膜中三種不同類型的視錐細(xì)胞，分別是：S-錐細(xì)胞：對(duì)短波光最敏感；M-錐細(xì)胞：對(duì)中波光最敏感；L-錐細(xì)胞：對(duì)長(zhǎng)波光最敏感。

三種視錐細(xì)胞

對(duì)確定顏色類型這件事，大腦并不是通過對(duì)比不同波長(zhǎng)光的絕對(duì)強(qiáng)度來確定，而是通過比較三種錐細(xì)胞信號(hào)的相對(duì)強(qiáng)度來完成。

來自天空的混合光中，S-錐和M-錐細(xì)胞同時(shí)受到了強(qiáng)烈的、成比例的刺激，S-錐和M-錐細(xì)胞的刺激信號(hào)疊加組合下，本來的藍(lán)紫光被大腦解讀為藍(lán)色。

人眼在明視覺條件下，整體視覺靈敏度函數(shù)的峰值在555 nm（黃綠光）。越偏離該峰值，人眼的整體靈敏度越低。

在藍(lán)紫光區(qū)域（380-490 nm），人眼的整體靈敏度已經(jīng)顯著下降了。這意味著，即使能量相當(dāng)?shù)淖瞎夂退{(lán)光，大腦更傾向于識(shí)別其中的藍(lán)光，因?yàn)樗x靈敏度的峰值波長(zhǎng)更近。

以上這些原因，最終導(dǎo)致天空被大腦解讀為藍(lán)色。

值得進(jìn)一步闡述的是，天空的不同部分在不同時(shí)段顏色也是有所不同的。

首先來看正午時(shí)分的情況。

此時(shí)，陽光穿過大氣層的厚度相對(duì)較薄。大量短波藍(lán)光被空氣分子向四面八方散射，充滿了整個(gè)天空。

因此，無論我們朝哪個(gè)方向看（除了直接看太陽），都有大量被散射的藍(lán)光進(jìn)入我們的眼睛，所以天空是藍(lán)色的。

而當(dāng)你直接看太陽時(shí)，由于藍(lán)光成分大量被散射掉了，你看到的是剩余光，它看起來不再是白色，而是偏黃色。

再來看日出或黃昏時(shí)的情況。

此時(shí)，太陽靠近地平線，陽光需要穿過極其厚的大氣層才能到達(dá)我們的眼睛。在這段超長(zhǎng)的路程中，不僅僅是藍(lán)光，連綠光、黃光等也被劇烈地散射到別處去了。

最終，能夠穿透這厚厚大氣層、幾乎“直線”到達(dá)我們眼睛的，主要是最不容易被散射的長(zhǎng)波光——紅光和橙光。這導(dǎo)致我們看到了通紅的太陽和絢麗的霞光。

下面再探究海水藍(lán)色形成的原因。

很多人可能認(rèn)為：海水的藍(lán)色與天空的藍(lán)色形成機(jī)制一樣，核心也是上面提到瑞利散射。是這樣嗎？

非也！

海水的藍(lán)色雖然也有瑞利散射的貢獻(xiàn)，但更多的是水對(duì)光的選擇性吸收導(dǎo)致的。

水分子（H?O）的分子振動(dòng)能級(jí)與光子的能量發(fā)生共振，從而吸收特定波長(zhǎng)的光。液態(tài)水的吸收光譜顯示，它對(duì)可見光區(qū)的紅光、橙光和黃光的吸收率遠(yuǎn)高于對(duì)藍(lán)光和綠光的吸收率。

液態(tài)水的吸收光譜

其光強(qiáng)衰減遵循朗伯-比爾定律（Lambert-Beer Law），即

其中， 是深度為 處的光強(qiáng)， 是表面光強(qiáng)， 是介質(zhì)的吸收系數(shù)，它是波長(zhǎng) 的函數(shù) 。

水的吸收系數(shù)隨波長(zhǎng)的變化

對(duì)于純凈水，其吸收系數(shù)隨波長(zhǎng)的變化呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性。在藍(lán)光區(qū)域， m，在紅光區(qū)域， m。

這意味著紅光的衰減是藍(lán)光的60倍。計(jì)算表明，在1米深度處，只有約74%的紅光能夠穿透，而99.5%的藍(lán)光仍然存在。在10米深度處，紅光的穿透比例降至約0.005%，而藍(lán)光仍有95%的穿透率。

據(jù)此，當(dāng)白光射入水中之后，長(zhǎng)波長(zhǎng)的紅光等很快被水分子吸收，其能量轉(zhuǎn)化為水分子的熱運(yùn)動(dòng)（水溫微升）。

短波長(zhǎng)的藍(lán)光很少被水分子吸收，它除了被水分子散射之外，能傳播到更深的水中去。

由此可見，海水的藍(lán)色與天空的藍(lán)色的形成機(jī)制有所不同。

它的一部分原因是水分子對(duì)藍(lán)光的瑞利散射，這與藍(lán)色的天空的形成機(jī)制類似。但更重要的原因是，它源于長(zhǎng)波部分的光（紅光）被水分子吸收了，相當(dāng)于被過濾掉了，剩下的光中，藍(lán)光的含量更高。

這些被吸收作用過濾之后的光，要么被水分子散射，即所謂瑞利散射，要么繼續(xù)穿透水體后被水底反射到人眼，散射和反射一起就造成了藍(lán)色的視覺效果。

在中國(guó)四川的九寨溝的海子中，得益于湖底的白色鈣華沉積物，這些抵達(dá)湖底的藍(lán)光被高效地反射回來。

正因?yàn)橄啾群Ｋ耪瘻系暮Ｗ佣嗔艘粋€(gè)底部的高反射的貢獻(xiàn)，光的亮度更高，所以它的藍(lán)比海水的藍(lán)更亮，看起來像藍(lán)寶石一樣，令人心醉。

到此，本文的基本觀點(diǎn)已經(jīng)闡述清楚了——

天空的藍(lán)色主要源于光的瑞利散射，而水的藍(lán)色主要源于光的選擇性吸收。

有人可能會(huì)疑問：第一，如何排除天空顏色形成主要是源于空氣對(duì)光的選擇性吸收？第二，如何排除水的藍(lán)色形成主要是源于水對(duì)光的瑞利散射？

當(dāng)然，實(shí)驗(yàn)學(xué)家可通過測(cè)定空氣和水對(duì)光的吸收情況來回答這兩個(gè)問題。

對(duì)第一個(gè)問題，我們可用落日時(shí)的紅霞來佐證之。

紅色的霞光表明，太陽光雖然穿越了的大氣層，紅光卻沒有被吸收，只是被散射的程度遠(yuǎn)小于藍(lán)光，所以能射到你的眼中。假若發(fā)生了吸收，我們就根本看不到它了。

對(duì)第二個(gè)問題，我們可借助簡(jiǎn)單的思想實(shí)驗(yàn)來說明。

假設(shè)我們?cè)谝粋€(gè)巨大的純水水箱后面放一個(gè)白光光源，我們從水箱正面看，看到的將不是藍(lán)色，而是非常暗淡的顏色，因?yàn)榇蟛糠止獗晃栈蛲干溥^去了，只有極少部分被散射。

而當(dāng)我們從一個(gè)深水井的井口往下看（就像看九寨溝的水）時(shí)，看到的則是明亮的藍(lán)色，因?yàn)槲覀兛吹降氖潜凰x擇性吸收后剩余的光。

好了，到此為止，關(guān)于天的藍(lán)和海的藍(lán)是如何形成的問題，已經(jīng)解釋完畢，相信你應(yīng)該基本搞清楚了吧！

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參考文獻(xiàn)

https://www.hko.gov.hk/en/education/earth-science/optical-phenomena/00364-why-is-the-sky-blue.html
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https://www.fondriest.com/environmental-measurements/parameters/weather/photosynthetically-active-radiation/
https://manoa.hawaii.edu/exploringourfluidearth/physical/ocean-depths/light-ocean
https://en.wikipedia.org/wiki/Electromagnetic_absorption_by_water

來源：物含妙理

編輯：小咕咕

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