蓝天

大气物理学用语

蓝天，即地球的大气层，正常情况下常呈现蓝色。19世纪中叶英国物理学家丁达尔认为频率较高的蓝色光，容易被悬浮在空气中的微粒阻挡，散射向四方，这一说法在中国基础教育中仍广泛接受。但该说法存在明显漏洞，后来19世纪80年代，瑞利发现空气本身的氧和氮等分子对阳光就有散射，而蓝色光(高频光)容易被散射，空气分子的散射就可以作为“天蓝”的主因。1910年爱因斯坦科学解释了蓝天的原因，即空气自身的密度涨落等对阳光的散射形成了蓝天。

颜色原理

传统观点

蓝天，其实是地球的大气层。在很长的一段时间里，中国基础教育与科普界主要沿用19世纪中叶英国物理学家丁达尔（John　Tyndall，1820－1893）的理论来解释“蓝天”出现的原因，尽管该观点后来被证实并不完全正确。

丁达尔认为，空气中会有许多微小的尘埃、水滴、冰晶等物质，形成了胶体，当太阳光通过空气时，频率较高的绿、蓝、紫等色光，很容易被悬浮在空气中的胶体粒子阻挡，反射向四面八方，从而使天空呈现出蔚蓝色。

后来，英国物理学家瑞利（Rayleigh）用波的散射理论成功解释了“蓝天”出现的本质原因。天空之所以会呈现出蔚蓝色，这是因为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。根据科学家的测定，绿色光、蓝色光和紫色光的频率比较高，则波长比较短，相当于“小短腿”；红色光、橙色光和黄色光的频率比较低，则波长比较长，相当于“大长腿”。当遇到空气中的障碍物的时候，蓝色光因为“步子小而快”(频率高而波长短)，便被“散射”得到处都是，布满了整个天空。天空就是这样被“散射”成了蓝色。

而在早上和晚上，由于太阳光是斜射的，传播路径比较长，太阳光在通过厚厚的大气层后，那些“腿短”，“步子小”(波长短)的蓝色光基本都被悬浮在大气中的微粒给挡住了，走不远，而红色光因为“腿长”，“步子大”(波长长)，很容易跨过障碍物，因此不容易被阻挡，可以到达更远的地方，所以我们在日出和日落时看到的朝霞和晚霞往往是红色的。

简而言之，晴朗的天空是蔚蓝色的，这并不是因为大气本身是蓝色的，也不是大气中含有蓝色的物质，而是由于大气分子和悬浮在大气中的微小粒子对太阳光散射的结果。由于介质的不均匀性。使得光偏离原来传播方向而向侧方散射开来的现象，称为介质对光的散射。细微质点的散射遵循瑞利定律：散射光强度与频率的四次方成正比。当太阳光通过大气时，频率较高的绿、蓝、紫色光最容易被散射；而频率较低的红、橙、黄色光散射得较弱，由于这种综合效应，天空呈现出蔚蓝色。

观点的发展

丁达尔散射

空气中会有许多微小的尘埃、水滴、冰晶等物质，当太阳光通过空气时，频率较高的绿、蓝、紫等色光，很容易被悬浮在空气中的微粒阻挡，从而使光线散射向四方，使天空呈现出蔚蓝色。中文世界中，大小的教育和科学网站，大多仍采用上述“标准答案”。

这个“天蓝”解释，基本上是19世纪中叶的水平。它是英国物理学家丁达尔（John　Tyndall，1820－1893）创立的。常称作丁达尔散射模型。确实，“频率较高的蓝色光，容易被悬浮在空气中的微粒阻挡，……散射向四方”。但它并不是“天蓝”的真正原因。如果天蓝主要是由水滴冰晶等微粒的散射引起的，那末，天空的颜色和深浅，就应随着空气湿度的变化而变化。因为当湿度变化时，空气中水滴冰晶的数目会明显变化。潮湿地区和沙漠地区的湿度差别很大，但天空是一样的蓝。丁达尔散射模型解释不了。到19世纪末叶，丁的天蓝解释已被质疑。

瑞利散射

1880年代，瑞利（John　Rayleigh，1842－1919）注意到，根本不必求助尘埃、水滴、冰晶等空气中的微粒，空气本身的氧和氮等分子对阳光就有散射，而且也是蓝色光容易被散射。所以，空气分子的散射就可以作为“天蓝”的主因。

然而，各个分子有散射，不等于空气整体会有蓝色。如果纯净的空气是极均匀的，分子再多也没有“天蓝”。就像一块极平的镜子，只有折射或反射，而极少　散射。在均匀一致的环境中，不同分子的散射相互抵消了。就如在一个集体纪律超强的环境（如监狱）中，每个人的独立和散漫行为被彻底压缩。而“天蓝”靠的就是分子各自的独立和相互不干涉，或少干涉。

为此，瑞利假定，空气不是分子的“监狱”。相反，氧和氮等分子，无规行走，随机分布。瑞利由这个模型算出的定量结果，很好地符合天蓝的性质。1899年，瑞利写了一篇总结式的文章“论天空蓝色之起源”（J．Rayleigh，Phil．Mag．XLVII，375，1899），开宗明义就说：“即使没有外来的微粒，我们依旧会有蓝色的天”。“外来的微粒”即指丁达尔散射所需要的。从此，丁达尔的天蓝理论被放弃。瑞利散射成为“天蓝”理论的主流。

瑞利的天蓝理论虽然很成功，瑞利的分子无规分布假定，也有根据。然而，瑞利实质上还要假定空气是所谓理想气体，这是一个不大的，但也不可忽略的弱点。因为空气不是理想气体。

爱因斯坦理论

1910年，爱因斯坦最终解决了这个问题。爱因斯坦用当时刚刚发展的熵（混乱的度量）的统计热力学理论证明：那怕最纯净的空气，也是有涨落起伏的。空气本身的密度涨落也能散射，也是蓝色光容易被散射。密度涨落的散射，不多也不少，正好能产生我们看到的蓝天。如果空气是理想气体，爱因斯坦的结果就同瑞利的一样。所以，简单地说，天空蓝色之起因是：“空气中有不可消除的‘杂质’，即空气自身的涨落。密度涨落等对阳光的散射，形成了蓝天。”“天蓝”起源物理不是爱因斯坦创立，但最完整的理论是爱因斯坦奠定的。所以说，“天蓝”物理学，完成于1910年。

瑞利和爱因斯坦的“天蓝”理论，是普遍适用的。可以用来解释纯净空气中的“蓝天”现象，也可以用来解释纯净的水，纯净的玻璃等液体或固体中的“蓝天”现象。

高锟先生在他为“光纤通讯”奠基的第一篇论文（C．Kao，Proc．IEE，113，No．7，1966　2010）中引用的第一个物理公式，就是爱因斯坦的“天蓝”瑞利散射公式（即Einstein－Smoluchowski公式）。玻璃是凝固了的液体。即使最理想的玻璃，没有气泡，没有缺陷，玻璃中依旧有不可消除的‘杂质’，即玻璃本身的不可消除的涨落。在光纤中传播的讯号（光波），会被玻璃的涨落散射。“天蓝”机制，是光纤通讯讯号损失的一个物理主因。它是不能用光纤制造技术消除的。只能选择“不太蓝”的光，减低它的影响。

空气质量用语

“蓝天”也是对空气质量状况评价的一种通俗的说法。中国的环保部门要对空气中可吸入颗粒物、二氧化硫、二氧化氮等多项污染物的监测。实时监测数据经汇总和计算后得出当天的空气污染指数（API），从而判断空气质量的等级。

中国采用的空气污染指数分为五个等级，API值小于等于50，说明空气质量为优；API值大于50且小于等于100，表明空气质量良好。如果当日空气质量污染指数在100以下，则称之为“蓝天”。也就是说，虽然天空看起来不蓝，甚至是在下雨，但空气质量不错，仍然可认定为“蓝天”。

因此，依据空气污染指数得出的“蓝天”并非感官意义上的蓝色天空。有报道，有两名市民坚持不懈地每天拍摄一张照片记录蓝色天空的数量，照片显示数量为180天。而同期北京官方发布的“蓝天”数量为285天，两者相差逾百日。

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