絢麗多彩的天空

高振朝

晴朗的天空是藍色的，這是人人皆知的事情，但天空有時是淡藍色、白色，有時是黃色。天空為什么有不同的顏色？很多人說不出所以然。如果我們想厘清這一問題，首先要搞清兩個概念：一是天空是由什么組成的；二是太陽光在天空中是如何傳播的。

天空是指地球周圍的廣大空間，在這個空間內環繞著一層厚厚的大氣。大氣是多種氣體的混合物，除含有氣體成分外，還含有許多水汽、固態和液態的雜質微粒。太陽光在天空中傳播時，分為直射和散射，進入人們眼睛的光不是直射光而是散射光。散射光的多少和強弱，與阻擋光前進的物質大小有關，也與色光的波長有關。

天空是藍色的，是太陽光線射入大氣層后，遇到大氣分子和懸浮在大氣中的微粒發生散射的結果。太陽光在進入大氣層傳播時，大氣分子和懸浮的微粒能把太陽光向四面八方散射出去，所以它們就成了散射光的光源。太陽可見光是由紅、橙、黃、綠、青、藍、紫組成的。不同色的光波長不同，波長較短的紫、藍、青色光最容易被散射，而波長較長的紅、橙、黃色光的透射能力較強，它們能透過大氣分子和微粒，保持原來的方向前進，很少被空氣分子散射。對下層空氣分子散射來講，主要是藍色光線被散射出來。所以，人們看到的天空是蔚藍色的。

低層大氣中所見到的藍色天空也不是一成不變的。有輕霧時，看到的天空是白色的；有霾時，看到的天空是淡藍色的。這是因為當空氣中的塵埃和水滴較多時，由于他們的直徑和太陽可見光的波長差不多，對各色光的散射程度基本相同，這些質點的散射光就是各色光的復合光，呈白色。這樣天空的藍色中就滲進了白色，而呈現淡藍色，空氣中的塵埃雜質越多，天空的藍色就越淡。純藍天空往往出現在風雨過后，所以有“雨過天青”的說法。

天空中不同部位的藍色程度也是不一樣的。天頂的藍色最深，地平線附近的藍色較淺。這是因為越靠近地面層，大氣中的塵埃和水汽等粗粒子越多，來自地平線附近的光線，在大氣中通過的路程長，遇到的粗粒子多，粗粒子散射的白光和大氣分子散射的藍光混在一起，使藍色變淺，給人們以渾濁的感覺。而來自天頂的光線因遇到的粗粒子較少，分子散射的藍光成分大，所以藍色就深一些。有時空氣中的水汽和塵埃較多，這些較大的粗粒子的散射和分子散射的性質大不相同，波長較長的黃橙光被散射得多一些，而總散射量也顯著增長，此時天空呈黃色。反過來，天空呈黃色表明大氣中存在著較大的水滴和塵埃，預示可能出現降水。因此，人們常說“天黃有雨”。

云是懸浮在大氣中的小水滴或冰晶微?；騼烧呋旌系目梢娋酆象w，有時也包含一些較大的雨滴、冰或雪粒。底部不接觸地面，并有一定厚度。

天上的云外形千姿百態，顏色多姿多彩，有的潔白如玉，有的烏黑如墨，有的灰蒙蒙一片，還有的呈現出紅色和紫色的光彩。那么，這些不同顏色的云究竟是怎么產生的呢？

云體的外形雖然多種多樣，但概括起來大致有三種，包括布滿全天的層狀云、孤立高大的積狀云以及如波濤般層疊起伏的波狀云。它們的厚薄相差很大，厚的可達七八千米，薄的只有幾十米。層狀云和雷雨時布滿天空的積雨云都比較厚，太陽和月亮的光線都難以通過，云體看起來就很黑，稍微薄一點的層狀云和波狀云，看起來是灰色的，波狀云的邊緣部分，色彩變為灰白。孤立高大的積狀云比較厚，它向陽的一面，光線幾乎全部反射出來，因而看起來是白色的，它背光的一面底部，光線不容易透過，看起來比較黑。

日出和日落的時候，太陽光線穿過很厚的大氣層斜射過來，空氣中的分子、水汽和雜質，使得光線的短波部分大量散射，而紅、橙色的長波部分卻散射得很少，照射到大氣下層時，陽光以長波紅光為主，因此這時日出日落方向的天空呈紅色，被陽光照亮了的云也變成了紅色，形成美麗多姿的火燒云。由于云的組成有的是水滴，有的是冰晶，有的是兩者混雜在一起的，因而當日月光線通過時，還會形成各種美麗的光環或虹彩。

有時在日出或日落前后，天空和山頂，尤其是太陽附近的天空和云層上會出現瑰麗多姿、五彩繽紛的大氣光學現象，它就是霞。根據出現的時間可分為朝霞和晚霞。朝、晚霞出現的方位和色彩受太陽位置、空氣中水汽、氣溶膠分布、云量和云狀的影響。

在曙、暮光時間內，陽光斜穿過大氣層，并且在低層大氣中有很長的光程，由于大氣分子、水汽、塵埃微粒對光的散射和吸收，使陽光受到很大衰減，各種不同顏色的光衰減情況又不相同，因此，通過大氣層的陽光已經顯示出不同的顏色，這些光再經過大氣中散射粒子的散射，才能到達人的眼睛，這就進一步增加了天空色彩的復雜性。大氣中成分與狀態都在不斷地變化，形成了變化萬千的美麗彩霞。

當陽光穿過大氣層時，波長較短的紫光和藍光衰減較多，到達地平線上空時就所剩無幾，余下的只是波長較長的黃、橙、紅色光，因此，在太陽高度角很低的日出日落時，看到的太陽光盤是橙紅色的，這種偏于紅色的陽光再通過天空中的散射粒子散射后仍然是波長較長的光居多，因此，霞光大多偏于紅、橙、黃等色彩，而且越接近地平線，霞光的色彩越偏于紅色。在接近天頂方向，陽光穿過低層大氣較少，波長較短的光衰減相對少些，余光中仍有一些藍綠色光，因而有時能看到藍綠色的霞光。有時，高層大氣散射的藍光與低層大氣散射的紅光疊加后進入人的眼睛，人們就會看到紫色的天空。一般來講，在日出日落方向上，從地面向天頂，霞的色彩排列是接近地面為紅色，漸次變為橙、黃、綠、藍各種顏色。

當大氣濕度較大時，或在系統性云系移近時，空中會懸浮著很多較大的水滴，這些不同大小的水滴對各種顏色的光有不同的散射作用。例如，半徑比光波波長小的水滴主要散射藍色光，而半徑在0.5～1微米區間的水滴主要散射紅色光，因而有時在近地面天空形成紫紅、褐紅的顏色。大氣中水汽含量越多，霞的色彩就越鮮艷或暗紅；水汽少的時候，霞光發青發白，所以有“霞光暗紅雨凄凄，霞光青白行千里”之說。

大氣中的氣溶膠粒子對霞光也有重要的影響，當粒子較大時，射入的光色彩將變得復雜，同時會受到較大衰減。當粒子比光的波長大很多時，各色光就具有相同的散射能力，散射光仍是白色的，這時，霞光將顯得很弱，呈現出淡黃、淡紅和灰等顏色。所以，大氣中塵埃含量越多，霞的亮度越弱。

天空中的云可以把霞光反射到地面，從而顯出層云紅遍、霞光萬道的瑰麗美景。

炎熱的季節，雷陣雨過后常常會出現一條七色的彩環，懸掛在空中，五彩斑斕，它就是人們俗稱的“彩虹”，是大氣中的一種光學現象。彩虹呈七彩顏色，從外至內分別為：紅、橙、黃、綠、青、藍、紫。

彩虹是因為陽光射到空中接近圓形的小水滴造成色散及反射而成的。陽光射入水滴時會同時以不同角度入射，在水滴內亦以不同的角度反射。當中以40°～42°的反射最為強烈，形成我們所見到的彩虹。造成這種反射時，陽光進入水滴，先折射一次，然后在水滴的背面反射，最后離開水滴時再折射一次。因為水對光有色散的作用，不同波長的光折射率有所不同，藍光的折射角度比紅光大。由于光在水滴內被反射，所以觀察者看見的光譜是倒過來的，紅光在最上，其他顏色在下。

彩虹最常在下午雨后天剛轉晴時出現，這時空氣中塵埃少而充滿著許多小水滴，它們就像懸浮在空中的微型三棱鏡，把通過它們的太陽光分解成七色光帶，再反射回來。這時，人如果站在太陽和雨滴形成的雨幕之間，就會看到色彩繽紛的彩虹，還有在“飛流直下三千尺”的瀑布附近也能看到彩虹。當然，在晴朗的天氣里背對陽光在空中灑水或噴灑水霧，亦可以人工制造彩虹。所以，只要空氣中有水滴，而陽光正好在觀察者背后以低角度照射，就可以看到彩虹現象的發生。

空氣里水滴的大小，決定了虹的色彩鮮艷程度和寬窄?？諝庵械乃未?，虹就鮮艷，也比較窄；反之，水滴小，虹色就淡，也比較寬。水滴過小，就沒有彩虹。我們面對著太陽是看不到彩虹的，只有背對著太陽才能看到，所以早晨的彩虹出現在西方，黃昏的彩虹總在東方出現。虹的出現與當時天氣變化相聯系，一般我們從虹出現在天空之中的位置就可以推測當時將出現晴或雨的天氣。東方出現虹時，預示著天氣系統即將移出本地，降雨天氣即將結束，而西方出現虹時，本地下雨的可能性很大，這就是“東虹日頭西虹雨”的含義。

天空的光學現象其實并沒有我們想象中的那么神秘，它們都是由于日月的光線在穿過大氣層時，被大氣吸收、放射、折射、散射和衍射造成的。只有清楚了解絢麗天空出現的原因，我們才能更好地加以運用，更好地造福人類。