為什么地球上的天空和海洋都是藍色的？科學家的回答讓人意外

這并不是因為他們相互輝映，它們呈現藍色因為完全不一樣的兩個原因。

如果你對你生活的世界產生好奇，你很有可能在想為什么天是藍色的。人們經常回答的錯誤原因有：

雖然每一個回答都是錯誤的，但是最后一個回答引出一個人們經常懷疑的相關問題：為什么海洋是藍色的？

從太空看，地球總是被描述為一個淡藍色的點。但只有海洋才呈現這種深淺不一的藍色。大陸，云層和冰蓋根本不呈現藍色。是海洋，而不是大氣給予地球這樣的外表膚色。

數千年中，人們被迫簡單地接受世界的這些屬性來作為事實。但隨著現代科學的進步，我們理解了它們呈現藍色的原因。

圖解：當太陽高懸在頭頂，對著天頂的天空呈現更深的藍色，而對著地平線的天空是更淺更亮的青色。這是大量的大氣和低角度可見的散射光引起的。(KARSTEN KETTERMANN / PIXABAY)

與你之前讀到的相反，并沒有一個單一的原因導致天空呈現藍色。天并不是因為太陽發出藍光而變藍，我們的太陽發出各種不同波長的光，疊加起來是白色。氧氣自身并非藍色，而是在光線下無色透明。然而，在大氣層中有很多分子和大一些的粒子發揮作用，以不同的數量散射不同波長的光。海洋對天空的顏色沒有任何影響，而我們眼睛的敏感程度是絕對的：我們不能直接看到現實，而是通過我們的感官來感知它，大腦來解釋它。

這三個因素 - 太陽的光線，地球大氣層的散射效應，以及人眼的反應 - 都使天空產生藍色。

圖解：連續光束被棱鏡散射的動畫示意圖，如果你有能看到紫外線和紅外線的眼睛，你就能看到紫外線比紫光/藍光彎曲更多，而紅外線比紅光彎曲更少。(LUCASVB / WIKIMEDIA COMMONS)

當我們通過棱鏡傳遞陽光時，我們可以看到它如何分成各個部分。最高能量光也是最短波長（和高頻）光，而能量較低的光具有比其高能量光更長的波長（和低頻）。光色散是因為波長是決定光與物質相互作用的關鍵屬性。

微波爐中的大孔允許短波長可見光進出，但保持更長波長的微波光進入并反射它。太陽鏡上的薄涂層反射紫外線，紫光和藍光，但允許更長波長的綠色，黃色，橙色和紅色通過。構成我們大氣層微小而不可見的粒子 - 氮，氧，水，二氧化碳和氬原子等分子 - 散射所有波長的光，但優先散射更藍，更短波長的光。

圖解：瑞利散射對藍光的影響比紅光更多，在可見波長中，紫光分散最多。只是由于我們眼睛的敏感性，天空呈藍色而不是紫色。最長波長和最短波長的可見光經歷瑞利散射出現整數量級的差異。

這背后存在一個物理原因：構成我們大氣的所有分子的大小都小于人眼所能看到的各種波長的光。更接近分子大小的波長將被更有效地散射；從數量上講，它遵循的規律被稱為瑞利散射。

在可見光范圍內的紫光比另一端的紅色長波長光散射的頻率高出九倍。這就是為什么，在日出、日落和月食期間，紅光仍然可以有效地穿過大氣層，但更波長更長的光實際上是不存在的，它們被優先散射掉了。

圖解：如圖，一些乳白色材料，與大氣具有相似的瑞利散射特性。從右上方照射這塊石頭的白光，石頭本身散射藍光，但允許橙色/紅色光優先穿過不受阻擋。

由于更藍的光更容易散射，任何直射進入的陽光都會變得越來越紅，越過它通過的大氣層越紅。然而，天空的其余部分將被間接的陽光照亮：光照射到大氣層然后重新被你的眼睛看到。絕大多數光線的波長為藍色，這就是白天天空是藍色的原因。

在有足夠的大氣將藍光散射到你的眼睛之前，它只會呈現更紅的色調。如果太陽低于地平線，所有的光必須通過大量的大氣。更藍的光線向各個方向散射，而更紅的光線更不容易散射，這意味著它需要更直接的路徑到達你的眼睛。如果你在日落之后或日出之前曾經坐過飛機，你可以看到這種壯觀景象。

圖解：在高海拔地區，日出前或日落后天空上，可以看到一系列的顏色，這些顏色是陽光由大氣層多次散射造成的。從地平線附近的直射光變得很大，在遠離太陽的情況下，散射光僅呈藍色。

這可以解釋為什么日落，日出和月食是紅色的，但可能會讓你想知道為什么天空呈現藍色而不是紫色。事實上，來自大氣的紫光比藍光更多，但也有其他顏色的混合。因為你的眼睛中有三種類型的視錐細胞（用于檢測顏色），以及單色視錐，所以當你要分辨顏色時，這四種視錐的信號都需要你的大腦來解釋。

每種類型的視錐細胞和視桿細胞對不同波長的光敏感，但所有這些細胞都受到天空的某種程度的刺激。我們的眼睛對藍色，青色和綠色的光的反應比對紫光的反應更強烈。即使有更多的紫光，但它還不足以壓制我們大腦提供的強烈藍色信號，這就是為什么天空在我們眼中呈現藍色。

圖解：人類第一次看到地球從月球邊緣升起，用人類的眼睛從太空中發現地球，仍然是人類歷史上最具標志性的成就之一。1968年12月的阿波羅8號是成功登月的重要先驅任務之一，它將在今年7月慶祝登月50周年。注意地球的藍色是由于海洋而不是大氣。（NASA）

另一方面，海洋是一個完全不同的事。如果你從整體上看這個星球，從太空中看，你會注意到我們所擁有的水體并不是統一的藍色，而是根據水的深度有所不同。較深的水域是深藍色；較淺的水域是淺藍色。

如果你仔細觀察下面的照片，會注意到，與大陸接近的水域（沿著大陸架）是比深海黑暗的深藍更淺，更偏綠的藍色。

圖解：地球的海洋呈現藍色，但沿著大陸架，它們看起來比海洋最深處的藍色更淺。這不是圖像構建方式的導致的錯誤，而是一種真實的現象，它詳細描述了不同深度的海洋本身吸收和反射陽光的差異。 （NASA / MODIS / BLUE MARBLE PROJECT）

如果你想要一個更直接的證據表明海洋本身看起來是藍色的，你可以嘗試潛水并記錄你所看到的東西。當我們在自然光下拍攝水下照片 - 即沒有任何人造光源 - 我們可以立即看到一切都呈藍色調。

當我們越潛越深，達到30米，100米，200米的深度時，一切都會出現藍色。水就像大氣一樣，也是由有限大小的分子制成的：比我們能看到的任何光的波長都要小，這很有意義。但是在這里，在海洋的深處，散射的物理性質有些不同。

圖解：如果你下潛到一個水體中，只允許周圍的自然光照射你周圍的環境，你會發現一切都呈現藍色，因為紅光是第一個被完全吸收的光。

光通過大氣時，大氣的主要作用是散射，光通過水中時，水主要吸收（或不吸收）光。水和所有分子一樣，對它能吸收的波長有所偏好。水不是具有直接的波長依賴性，而是最容易吸收紅外線、紫外線和紅色可見光。

這意味著如果你下潛到達一個適度的深度，你將不會感受到太陽的溫度，你將免受紫外線輻射，隨著紅光被帶走，事物將開始變成藍色。向下走一點，橙色也會消失。

圖解：在更深的深處，當海水被來自上方的自然陽光照射時，不僅是紅色，橙色和黃色也開始消失。即使是綠色也會被吸收，只留下微弱的藍光。 （DENNIS JARVIS OF FLICKR）

再向前，黃色，綠色和紫色開始被吸收。當我們再下潛幾公里的深度時，連藍光也會消失，盡管這將是最后一次。

這就是為什么最深的海洋呈現深藍色：因為所有其他波長都被吸收了。最深的藍色，它在水中所有波長的光中都是獨一無二的，具有被反射和重新發射回來的最高概率。目前，地球的全球平均反照率是0.30，這意味著30％的入射光被反射回太空。但如果地球完全是深水海洋，我們的反照率將只有0.11。海洋事實上非常適合吸收陽光！

圖解：2001年和2002年拍攝的中分辨率成像光譜輻射計（MODIS）數據的兩半球全球復合材料，請注意，正是我們的海洋，僅僅是我們的海洋，使我們的星球從太空中呈現出藍色。（NASA）

若是因為反射，天空和海洋不會呈現藍色；它們都是藍色的，但都是它們自己的原因。如果你將我們的海洋完全帶走，人在地面上仍然能看到藍色的天空，如果你設法把我們的天空帶走（但仍然以某種方式給了表面的液態水），我們的星球仍然會呈現藍色。

在天空中，藍色光散射的更快，陽光從云層的裂縫中直接照向我們；在海洋中，較長波長的可見光更容易被吸收，因此，光照射的越深，更深的藍色光就逐漸出現。別的星球可能也有藍色大氣層，比如天王星和海王星。但是地球是唯一一個我們知道的擁有藍色表面的星球。或許有一天，當我們發現另一個表面同樣覆蓋著大量液態水的星球的時候，我們就不再孤單了！

參考資料

1.Wikipedia百科全書

2.天文學名詞

3. 唐時風- medium-Ethan Siegel