關于“天空和海水為什么是藍色”的問題，相信很多人已經有所了解，但可能很多人并沒有真正搞清楚。

先來看天空的藍色的形成機制。

簡單地說，它包含三個方面的原因。

第一，太陽光譜是具有黑體輻射類型的連續(xù)光譜，包含了各種不同的頻率。其中人眼可見的部分，即可見光（380~750nm）中包含了波長在450~490nm的藍光，它的比重較同為短波的紫光（380~450nm）更高。

太陽的光中的可見光

下圖給出經過大氣層之后的太陽光的波長分布情況，可以看出，藍光的比重仍然比紫光高。

太空和海平面上的太陽光譜

巧婦難為無米之炊，假想若太陽的光譜不是這樣的，例如不含藍色或藍光比重很少，那自然就不可能照出實際的藍色天空了。

所以，正是太陽光提供了充分的顏色“原材料”，才為最終的藍色天空提供了基礎條件。

第二，一種光散射機制，即所謂瑞利散射（Rayleigh Scattering）的作用。

按照瑞利散射公式，光的散射強度 滿足如下規(guī)律，

其中， 是光的入射光強度， 是入射光的波長， 是散射角（入射光方向與散射光方向之間的夾角）。

顯然，在入射光的平行和反平行方向上，光散射程度最強。

而在相同的散射角的情況下，散射程度與光的波長的4次方成反比。

可見光范圍內，紫光和藍光的波長最短，所以它們的散射最強。

如下圖所示，太陽光射到大氣層之后，其他的光幾乎都繼續(xù)沿原方向前行，但藍光和紫光被散射到各個方向，它們就像被打翻的顏料盒一樣，將大氣層染成藍紫色。

光在大氣中的瑞利散射

雖然按瑞利散射，紫光的散射程度比藍光強。但根據(jù)上述第一點——紫光的“原材料”含量相對較低很多，所以紫光散射后的絕對強度比藍光要弱一些。

以上兩個原因結合在一起，天空本應該是藍紫色，但為什么最終我們看到的是藍色呢？這就要涉及人的視覺系統(tǒng)方面的原因了。

第三，人眼的視覺系統(tǒng)對不同頻率的光的敏感度不同。

首先，作為一個次要因素，人眼的晶狀體會吸收大量波長小于400nm的紫外線，并對約400-430nm的紫光也有部分吸收，從而減少到達視網膜的紫光。

而更重要的，這背后是視網膜的視錐細胞響應度的疊加效應的作用以及藍紫光下人眼視覺靈敏度降低的緣故。

決定顏色感知的是視網膜中三種不同類型的視錐細胞，分別是：S-錐細胞：對短波光最敏感；M-錐細胞：對中波光最敏感；L-錐細胞：對長波光最敏感。

三種視錐細胞

對確定顏色類型這件事，大腦并不是通過對比不同波長光的絕對強度來確定，而是通過比較三種錐細胞信號的相對強度來完成。

來自天空的混合光中，S-錐和M-錐細胞同時受到了強烈的、成比例的刺激，S-錐和M-錐細胞的刺激信號疊加組合下，本來的藍紫光被大腦解讀為藍色。

人眼在明視覺條件下，整體視覺靈敏度函數(shù)的峰值在555 nm（黃綠光）。越偏離該峰值，人眼的整體靈敏度越低。

在藍紫光區(qū)域（380-490 nm），人眼的整體靈敏度已經顯著下降了。這意味著，即使能量相當?shù)淖瞎夂退{光，大腦更傾向于識別其中的藍光，因為它離靈敏度的峰值波長更近。

以上這些原因，最終導致天空被大腦解讀為藍色。

值得進一步闡述的是，天空的不同部分在不同時段顏色也是有所不同的。

首先來看正午時分的情況。

此時，陽光穿過大氣層的厚度相對較薄。大量短波藍光被空氣分子向四面八方散射，充滿了整個天空。

因此，無論我們朝哪個方向看（除了直接看太陽），都有大量被散射的藍光進入我們的眼睛，所以天空是藍色的。

而當你直接看太陽時，由于藍光成分大量被散射掉了，你看到的是剩余光，它看起來不再是白色，而是偏黃色。

再來看日出或黃昏時的情況。

此時，太陽靠近地平線，陽光需要穿過極其厚的大氣層才能到達我們的眼睛。在這段超長的路程中，不僅僅是藍光，連綠光、黃光等也被劇烈地散射到別處去了。

最終，能夠穿透這厚厚大氣層、幾乎“直線”到達我們眼睛的，主要是最不容易被散射的長波光——紅光和橙光。這導致我們看到了通紅的太陽和絢麗的霞光。

下面再探究海水藍色形成的原因。

很多人可能認為：海水的藍色與天空的藍色形成機制一樣，核心也是上面提到瑞利散射。是這樣嗎？

非也！

海水的藍色雖然也有瑞利散射的貢獻，但更多的是水對光的選擇性吸收導致的。

水分子（H?O）的分子振動能級與光子的能量發(fā)生共振，從而吸收特定波長的光。液態(tài)水的吸收光譜顯示，它對可見光區(qū)的紅光、橙光和黃光的吸收率遠高于對藍光和綠光的吸收率。

液態(tài)水的吸收光譜

其光強衰減遵循朗伯-比爾定律（Lambert-Beer Law），即

其中， 是深度為 處的光強， 是表面光強， 是介質的吸收系數(shù)，它是波長 的函數(shù) 。

水的吸收系數(shù)隨波長的變化

對于純凈水，其吸收系數(shù)隨波長的變化呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性。在藍光區(qū)域， m，在紅光區(qū)域， m。

這意味著紅光的衰減是藍光的60倍。計算表明，在1米深度處，只有約74%的紅光能夠穿透，而99.5%的藍光仍然存在。在10米深度處，紅光的穿透比例降至約0.005%，而藍光仍有95%的穿透率。

據(jù)此，當白光射入水中之后，長波長的紅光等很快被水分子吸收，其能量轉化為水分子的熱運動（水溫微升）。

短波長的藍光很少被水分子吸收，它除了被水分子散射之外，能傳播到更深的水中去。

由此可見，海水的藍色與天空的藍色的形成機制有所不同。

它的一部分原因是水分子對藍光的瑞利散射，這與藍色的天空的形成機制類似。但更重要的原因是，它源于長波部分的光（紅光）被水分子吸收了，相當于被過濾掉了，剩下的光中，藍光的含量更高。

這些被吸收作用過濾之后的光，要么被水分子散射，即所謂瑞利散射，要么繼續(xù)穿透水體后被水底反射到人眼，散射和反射一起就造成了藍色的視覺效果。

在中國四川的九寨溝的海子中，得益于湖底的白色鈣華沉積物，這些抵達湖底的藍光被高效地反射回來。

正因為相比海水，九寨溝的海子多了一個底部的高反射的貢獻，光的亮度更高，所以它的藍比海水的藍更亮，看起來像藍寶石一樣，令人心醉。

到此，本文的基本觀點已經闡述清楚了——

天空的藍色主要源于光的瑞利散射，而水的藍色主要源于光的選擇性吸收。

有人可能會疑問：第一，如何排除天空顏色形成主要是源于空氣對光的選擇性吸收？第二，如何排除水的藍色形成主要是源于水對光的瑞利散射？

當然，實驗學家可通過測定空氣和水對光的吸收情況來回答這兩個問題。

對第一個問題，我們可用落日時的紅霞來佐證之。

紅色的霞光表明，太陽光雖然穿越了的大氣層，紅光卻沒有被吸收，只是被散射的程度遠小于藍光，所以能射到你的眼中。假若發(fā)生了吸收，我們就根本看不到它了。

對第二個問題，我們可借助簡單的思想實驗來說明。

假設我們在一個巨大的純水水箱后面放一個白光光源，我們從水箱正面看，看到的將不是藍色，而是非常暗淡的顏色，因為大部分光被吸收或透射過去了，只有極少部分被散射。

而當我們從一個深水井的井口往下看（就像看九寨溝的水）時，看到的則是明亮的藍色，因為我們看到的是被水選擇性吸收后剩余的光。

好了，到此為止，關于天的藍和海的藍是如何形成的問題，已經解釋完畢，相信你應該基本搞清楚了吧！

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參考文獻

https://www.hko.gov.hk/en/education/earth-science/optical-phenomena/00364-why-is-the-sky-blue.html
https://www.scientificamerican.com/article/why-does-the-ocean-appear/
https://www.fondriest.com/environmental-measurements/parameters/weather/photosynthetically-active-radiation/
https://manoa.hawaii.edu/exploringourfluidearth/physical/ocean-depths/light-ocean
https://en.wikipedia.org/wiki/Electromagnetic_absorption_by_water

來源：物含妙理

編輯：小咕咕

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