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我们小的时候也许都问过家长：天空为什么是蓝色的？这个问题恐怕大多数家长都回答不出来。当我们长大了变成家长了，孩子们又要问我们这个问题，这仿佛成了一个千古难题。在湖南卫视《天天向上》栏目里，汪涵是这样回答的：
“天空是蓝色的，因为大海是蓝色的。大海是蓝色的，因为海里面有鱼，鱼会吐泡泡，blueblueblue，就把海染蓝了。”
现在好了，你看了这篇文章，这个问题你终于可以回答了。
瑞利散射我们知道，空气是由78%的氮气、21%的氧气和1%的其他气体构成的。空气中还存在一些杂质，例如固体颗粒、小水滴、小冰晶等。当光线射入大气层时，由于气体分子并不均匀以及杂质的影响，光线就会发生散射。所谓散射，就是将原本平行射入的光变为四面八方发射的。
这样以来，原本向某个方向照射的太阳光，就会把整个天空照亮。如果没有大气的散射作用，就算在白天，天空中大部分还是黑的，就好像月亮表面上那样。
太阳光并不是单一波长的光，而是许多单色光合在一起构成的复色光。波长在400纳米到760纳米之间的光是可以被人眼看到的，称为可见光。太阳光的可见光部分可以分解为七种不同颜色，按波长从长到短依次是红橙黄绿蓝靛紫。除此之外，波长大于红光的不可见光称为红外线。波长比紫光短的不可见光称为紫外线。
太阳光的各种成分能量不是相同的。主要的能量都集中在可见光部分。这是很好理解的：人眼在进化过程中为了适应太阳， 就把眼睛进化为对太阳光中能量最强的部分最敏感了。
不同波长的光散射能量是不同的。卡文迪许实验室第二位主任：英国物理学家约翰·斯特拉特（第三代瑞利男爵）研究了光的散射问题，并得出了著名的瑞利散射公式。
瑞利指出：对于尺寸远远小于光波长的微小颗粒散射，散射光的强度与波长的四次方成反比。也就是说， 波长越长，散射能力越差；波长越短，散射能力越强。
在可见光中，紫光散射能力最强，而红光的散射能力最弱。
同时，人的眼睛中有三种可以感觉颜色的圆锥细胞，分别可以感受红色、绿色和蓝色，每种细胞对不同波长的光感受能力不同。相比来讲，人眼对黄绿色光最为敏感，这也恰好是太阳光中能量最集中的部分。
现在我们知道了：太阳光的能量分布在可见光最多，短波长散射能力最强，人眼对黄绿色光最敏感，三个因素叠加在一起，人眼感受到天空的颜色最终就是蓝色了。不仅仅是天空，广阔的透明体如水、玻璃等，也会呈蓝色。
朝阳和夕阳是红色的利用这个原理，我们还可以解释许多问题。例如：早晨和傍晚，太阳光是偏红色的。
这是因为：在中午的时候，太阳光垂直射向地面，所需要穿透的大气层比较薄。但是早上和晚上，太阳光斜射向地面，在大气中经过的路程比较长。
在这个过程中，短波长的光由于散射能力强，在经过地球大气的时候大部分都散射掉了，余下的光就是散射能力最弱的长波长的光，于是就呈现出红色。
月食时的血月还有另一个很神奇的现象也可以用这个理论解释：红月亮。
由于地球对太阳光的遮挡，在地球后面形成了本影区和半影区。在本影区，太阳光完全被遮挡，在半影区，一部分太阳光被地球遮挡。
如果月球处于地球的本影区里，就出现月全食。如果月球一部分在本影区里，一部分在半影区里，就出现月偏食。当月球扫过地球的本影区时，就会出现偏食-全食-偏食的变化。
按理说，发生月全食时，月球应该消失不见，但事实上，月球会变成暗红色。这个原因是因为太阳光经过地球表面时，大气会把阳光进行折射，类似于一个凸透镜的作用，使原本接近平行的太阳光向内偏折，这样就能够照亮本影区中的月球。
但是，由于此时太阳光需要在大气中通过很长的路程，散射能力较强的短波长光都被散射掉了，能够通过的阳光主要是波长比较长，散射能力较差的红光。所以，红光照射到月球上，就把月球照成了血月。红光散射能力差，穿透能力最强，所以人们的交通信号灯也采用红灯表示禁止通行。
看似简单的问题：天空为什么是蓝色的，其实并不简单，它蕴含了深刻的物理道理，这个问题直到一百年前才真正被人解释清楚。
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李永乐老师：北京大学物理与经济双学士，清华大学电子工程硕士；北京市中学物理教师/物理竞赛教练。从教十年，培养清华北大学生200余人，国际奥赛、亚洲奥赛、国家奥赛金牌十余名。
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天空为什么是蓝色(天空为什么是蓝色的？红月亮又是怎么回事？)
