绚丽多彩的天空

高振朝

晴朗的天空是蓝色的，这是人人皆知的事情，但天空有时是淡蓝色、白色，有时是黄色。天空为什么有不同的颜色？很多人说不出所以然。如果我们想厘清这一问题，首先要搞清两个概念：一是天空是由什么组成的；二是太阳光在天空中是如何传播的。

天空是指地球周围的广大空间，在这个空间内环绕着一层厚厚的大气。大气是多种气体的混合物，除含有气体成分外，还含有许多水汽、固态和液态的杂质微粒。太阳光在天空中传播时，分为直射和散射，进入人们眼睛的光不是直射光而是散射光。散射光的多少和强弱，与阻挡光前进的物质大小有关，也与色光的波长有关。

天空是蓝色的，是太阳光线射入大气层后，遇到大气分子和悬浮在大气中的微粒发生散射的结果。太陽光在进入大气层传播时，大气分子和悬浮的微粒能把太阳光向四面八方散射出去，所以它们就成了散射光的光源。太阳可见光是由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫组成的。不同色的光波长不同，波长较短的紫、蓝、青色光最容易被散射，而波长较长的红、橙、黄色光的透射能力较强，它们能透过大气分子和微粒，保持原来的方向前进，很少被空气分子散射。对下层空气分子散射来讲，主要是蓝色光线被散射出来。所以，人们看到的天空是蔚蓝色的。

低层大气中所见到的蓝色天空也不是一成不变的。有轻雾时，看到的天空是白色的；有霾时，看到的天空是淡蓝色的。这是因为当空气中的尘埃和水滴较多时，由于他们的直径和太阳可见光的波长差不多，对各色光的散射程度基本相同，这些质点的散射光就是各色光的复合光，呈白色。这样天空的蓝色中就渗进了白色，而呈现淡蓝色，空气中的尘埃杂质越多，天空的蓝色就越淡。纯蓝天空往往出现在风雨过后，所以有“雨过天青”的说法。

天空中不同部位的蓝色程度也是不一样的。天顶的蓝色最深，地平线附近的蓝色较浅。这是因为越靠近地面层，大气中的尘埃和水汽等粗粒子越多，来自地平线附近的光线，在大气中通过的路程长，遇到的粗粒子多，粗粒子散射的白光和大气分子散射的蓝光混在一起，使蓝色变浅，给人们以浑浊的感觉。而来自天顶的光线因遇到的粗粒子较少，分子散射的蓝光成分大，所以蓝色就深一些。有时空气中的水汽和尘埃较多，这些较大的粗粒子的散射和分子散射的性质大不相同，波长较长的黄橙光被散射得多一些，而总散射量也显著增长，此时天空呈黄色。反过来，天空呈黄色表明大气中存在着较大的水滴和尘埃，预示可能出现降水。因此，人们常说“天黄有雨”。

云是悬浮在大气中的小水滴或冰晶微粒或两者混合的可见聚合体，有时也包含一些较大的雨滴、冰或雪粒。底部不接触地面，并有一定厚度。

天上的云外形千姿百态，颜色多姿多彩，有的洁白如玉，有的乌黑如墨，有的灰蒙蒙一片，还有的呈现出红色和紫色的光彩。那么，这些不同颜色的云究竟是怎么产生的呢？

云体的外形虽然多种多样，但概括起来大致有三种，包括布满全天的层状云、孤立高大的积状云以及如波涛般层叠起伏的波状云。它们的厚薄相差很大，厚的可达七八千米，薄的只有几十米。层状云和雷雨时布满天空的积雨云都比较厚，太阳和月亮的光线都难以通过，云体看起来就很黑，稍微薄一点的层状云和波状云，看起来是灰色的，波状云的边缘部分，色彩变为灰白。孤立高大的积状云比较厚，它向阳的一面，光线几乎全部反射出来，因而看起来是白色的，它背光的一面底部，光线不容易透过，看起来比较黑。

日出和日落的时候，太阳光线穿过很厚的大气层斜射过来，空气中的分子、水汽和杂质，使得光线的短波部分大量散射，而红、橙色的长波部分却散射得很少，照射到大气下层时，阳光以长波红光为主，因此这时日出日落方向的天空呈红色，被阳光照亮了的云也变成了红色，形成美丽多姿的火烧云。由于云的组成有的是水滴，有的是冰晶，有的是两者混杂在一起的，因而当日月光线通过时，还会形成各种美丽的光环或虹彩。

有时在日出或日落前后，天空和山顶，尤其是太阳附近的天空和云层上会出现瑰丽多姿、五彩缤纷的大气光学现象，它就是霞。根据出现的时间可分为朝霞和晚霞。朝、晚霞出现的方位和色彩受太阳位置、空气中水汽、气溶胶分布、云量和云状的影响。

在曙、暮光时间内，阳光斜穿过大气层，并且在低层大气中有很长的光程，由于大气分子、水汽、尘埃微粒对光的散射和吸收，使阳光受到很大衰减，各种不同颜色的光衰减情况又不相同，因此，通过大气层的阳光已经显示出不同的颜色，这些光再经过大气中散射粒子的散射，才能到达人的眼睛，这就进一步增加了天空色彩的复杂性。大气中成分与状态都在不断地变化，形成了变化万千的美丽彩霞。

当阳光穿过大气层时，波长较短的紫光和蓝光衰减较多，到达地平线上空时就所剩无几，余下的只是波长较长的黄、橙、红色光，因此，在太阳高度角很低的日出日落时，看到的太阳光盘是橙红色的，这种偏于红色的阳光再通过天空中的散射粒子散射后仍然是波长较长的光居多，因此，霞光大多偏于红、橙、黄等色彩，而且越接近地平线，霞光的色彩越偏于红色。在接近天顶方向，阳光穿过低层大气较少，波长较短的光衰减相对少些，余光中仍有一些蓝绿色光，因而有时能看到蓝绿色的霞光。有时，高层大气散射的蓝光与低层大气散射的红光叠加后进入人的眼睛，人们就会看到紫色的天空。一般来讲，在日出日落方向上，从地面向天顶，霞的色彩排列是接近地面为红色，渐次变为橙、黄、绿、蓝各种颜色。

当大气湿度较大时，或在系统性云系移近时，空中会悬浮着很多较大的水滴，这些不同大小的水滴对各种颜色的光有不同的散射作用。例如，半径比光波波长小的水滴主要散射蓝色光，而半径在0.5～1微米区间的水滴主要散射红色光，因而有时在近地面天空形成紫红、褐红的颜色。大气中水汽含量越多，霞的色彩就越鮮艳或暗红；水汽少的时候，霞光发青发白，所以有“霞光暗红雨凄凄，霞光青白行千里”之说。

大气中的气溶胶粒子对霞光也有重要的影响，当粒子较大时，射入的光色彩将变得复杂，同时会受到较大衰减。当粒子比光的波长大很多时，各色光就具有相同的散射能力，散射光仍是白色的，这时，霞光将显得很弱，呈现出淡黄、淡红和灰等颜色。所以，大气中尘埃含量越多，霞的亮度越弱。

天空中的云可以把霞光反射到地面，从而显出层云红遍、霞光万道的瑰丽美景。

炎热的季节，雷阵雨过后常常会出现一条七色的彩环，悬挂在空中，五彩斑斓，它就是人们俗称的“彩虹”，是大气中的一种光学现象。彩虹呈七彩颜色，从外至内分别为：红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。

彩虹是因为阳光射到空中接近圆形的小水滴造成色散及反射而成的。阳光射入水滴时会同时以不同角度入射，在水滴内亦以不同的角度反射。当中以40°～42°的反射最为强烈，形成我们所见到的彩虹。造成这种反射时，阳光进入水滴，先折射一次，然后在水滴的背面反射，最后离开水滴时再折射一次。因为水对光有色散的作用，不同波长的光折射率有所不同，蓝光的折射角度比红光大。由于光在水滴内被反射，所以观察者看见的光谱是倒过来的，红光在最上，其他颜色在下。

彩虹最常在下午雨后天刚转晴时出现，这时空气中尘埃少而充满着许多小水滴，它们就像悬浮在空中的微型三棱镜，把通过它们的太阳光分解成七色光带，再反射回来。这时，人如果站在太阳和雨滴形成的雨幕之间，就会看到色彩缤纷的彩虹，还有在“飞流直下三千尺”的瀑布附近也能看到彩虹。当然，在晴朗的天气里背对阳光在空中洒水或喷洒水雾，亦可以人工制造彩虹。所以，只要空气中有水滴，而阳光正好在观察者背后以低角度照射，就可以看到彩虹现象的发生。

空气里水滴的大小，决定了虹的色彩鲜艳程度和宽窄。空气中的水滴大，虹就鲜艳，也比较窄；反之，水滴小，虹色就淡，也比较宽。水滴过小，就没有彩虹。我们面对着太阳是看不到彩虹的，只有背对着太阳才能看到，所以早晨的彩虹出现在西方，黄昏的彩虹总在东方出现。虹的出现与当时天气变化相联系，一般我们从虹出现在天空之中的位置就可以推测当时将出现晴或雨的天气。东方出现虹时，预示着天气系统即将移出本地，降雨天气即将结束，而西方出现虹时，本地下雨的可能性很大，这就是“东虹日头西虹雨”的含义。

天空的光学现象其实并没有我们想象中的那么神秘，它们都是由于日月的光线在穿过大气层时，被大气吸收、放射、折射、散射和衍射造成的。只有清楚了解绚丽天空出现的原因，我们才能更好地加以运用，更好地造福人类。