大氣層散射

大氣層散射就是藍色天空[Blue Sky] 藍色的光，嚴格定義是波長[0.450-0.495微米]的光線，通常波長[0.440-0.515微米]左右的光線，人類的肉眼都會感覺是“藍”，波長比藍光更長是綠色光，更短是紫色光。

基本介紹

• 中文名：大氣層散射
• 波長：[0.450-0.495微米
• 顏色：藍
• 類別：光學

藍色原因

陽光分成各種波長，其中可見的光線，因人而異，波長大約[0.38～0.78微米]左右，陽光進入大氣層後，形成反射、折射、散射、衍射等等，其中造成天空是藍色的原因是散射。

這些反射、折射、散射、衍射都是由於光線是“波”，類似水的波浪，光照射到物體時候，就類似“波浪”打在物體上，會形成反射波，反射後就是我們看到的顏色。

陽光本身有各種可見顏色，物體反射光線，就是物體的細微組織分子、原子被光波打中，而震盪反射，並且只能反射那些波長和自身直徑大小類似的光。例如，大小直徑約[0.450-0.495微米]的顆粒反射的光，必然是“藍色光”，這樣我們肉眼看到的就是藍色。物質都是由微小分子、原子構成的，我們看到的顏色，都是它們的反射造成。

但是空氣中的物質，包括水分子（H2O）、氧氣分子（O2）、二氧化碳分子（CO2）等等，直徑太小，根本不可能反射可見光，只能反射波長小於近紫外線的不可見光。

所以長期以來，沒人能解釋天是藍的。

瑞利散射

英國科學家J·W·斯特拉特（1842～1919），在1871年提出他發現的散射原理，部分解釋了這個原因，他後來改名J·W·斯特拉特·瑞利[Rayleigh]，於是把他發現的原理就定名瑞利散射[Rayleigh Scattering]。

瑞利散射的含義是：對於那些不是“圓球形狀”的微粒物質，而且微粒尺度極小，比大多數光的波長小很多的條件下，比如：水分子（H2O）、氧氣分子（O2）、二氧化碳氣體分子（CO2）等等，它們都是幾個圓球組合而成，它們的不規則形狀，導致散射光的強度，與反射出去的光波波長[ λ ]的四次方，成反比關係。

這個理論解釋了，大氣空氣出現藍顏色，是因為微小顆粒，能夠把投射在它們上的所有光線挑揀後反射，反射最強烈的是波長較短的“近藍色光”和藍色光，遠遠多於長波光線（例如：紅色光）。人類肉眼看到的就是：散射出的藍色光。但是，瑞利的理論，沒有解釋天空深藍顏色的形成原因。當時，普遍認為，空氣分子很稀薄，不可能反射均勻的藍光，空氣是透明的，如果能這樣反射，地面上看什麼都應該是藍的。

由於瑞利散射的強度與波長四次方成反比，所以太陽光譜中紫光的散射比紅光強得多，這就造成大氣的散射光譜（散射光能量按波長的分布）對於入射的太陽光譜而言，向短波方向移動。因太陽光譜在短波段中以藍光能量最大，所以在晴空大氣渾濁度小時，在大氣分子的強烈散射作用下，天空即呈現蔚藍色。

大氣電離層

後來，科學家進一步研究，發現原來瑞利散射現象僅存在微小顆粒中，大顆粒沒有此現象，空氣中最大的反射源，並不是空氣的分子，它們直徑大、稀疏，造成“瑞利散射現象”並不強烈，而且反射出的是接近綠光的藍色。

真正的反射源頭是“離子”，是極高空的“大氣電離層”，那裡的空氣離子化，瑞利本人生活的時代根本不知道。

也就是說，瑞利的理論雖然曾經解釋了“天空的藍色”，但那僅僅是理論原因。根本原因是一些氣體分子電離化，形成很多規則的圓球形狀、不規則形狀的顆粒作高速隨機運動（布朗運動），在高速運動中造成很密集的“瑞利散射光線”（動態散射現象），而且反射源頭在極高空。

背景因素

大氣層散射是微弱的，背景宇宙很黑暗，所以才看到藍色的散射光線。這就是，為什麼向上看天空是藍色的，而在地面上看到的周圍的空氣，卻不是藍色的。

太空人在太空向下看，幾乎看不到藍天，因為地球地面的反射要強烈很多，感覺不到藍光線，但是他們能感覺到大氣層邊緣的藍色，同樣由於地面的強烈反差，大氣層散射的藍光，他們感覺不是很明顯。從太空中看到的地球表面的藍色，是由於地面上，水的反射光線。

炫目

我們的眼睛輸送給大腦的畫面是有頻率的，天空的藍色是稀疏、雜亂、閃爍的藍光線，由於類似電影畫面連續播放的錯覺，人類感覺到的是一片豐滿、均勻、灰度變化柔和的藍天。

這是人類‘肉眼感覺藍天眩目的原因，因為它在不斷閃爍。

天空顏色

越是往高空去，大氣中的分子會變得越來越稀少，因此大氣的散射能力會急劇的降低。天空的顏色將會從蔚藍色變為10000米高度的青色，民航飛機一般來說能夠飛到12000米左右，看到的是暗青色的天空。探空大天使是一架構想中執行高海拔飛行任務的螺旋槳飛機，他所能飛到的高度還不能完全確定下來，估計在海拔高度14500-16500米之間，紫色光很容易被散射出來，而這個高度的大氣分子少得可憐了，因此看到的是暗紫色的天空。最糟糕的是，大氣壓強只有10Kpa左右，沒有足夠的保護措施的話人的血液將會沸騰。北緯30°的對流層頂高度大約就是16公里，而人類在4公里以上就會出現不適症狀。

15500米高空

再往上的情況更駭人。16.5公里直到18.5公里（低緯度地區21公里）天空將呈現出黑紫色，大氣分子的散射作用幾乎完全看不出來。最後大氣散射終於徹底消失了，天空被黑暗所埋沒。