关于“天空和海水为什么是蓝色”的问题，相信很多人已经有所了解，但可能很多人并没有真正搞清楚。

先来看天空的蓝色的形成机制。

简单地说，它包含三个方面的原因。

第一，太阳光谱是具有黑体辐射类型的连续光谱，包含了各种不同的频率。其中人眼可见的部分，即可见光（380~750nm）中包含了波长在450~490nm的蓝光，它的比重较同为短波的紫光（380~450nm）更高。

太阳的光中的可见光

下图给出经过大气层之后的太阳光的波长分布情况，可以看出，蓝光的比重仍然比紫光高。

太空和海平面上的太阳光谱

巧妇难为无米之炊，假想若太阳的光谱不是这样的，例如不含蓝色或蓝光比重很少，那自然就不可能照出实际的蓝色天空了。

所以，正是太阳光提供了充分的颜色“原材料”，才为最终的蓝色天空提供了基础条件。

第二，一种光散射机制，即所谓瑞利散射（Rayleigh Scattering）的作用。

按照瑞利散射公式，光的散射强度 满足如下规律，

其中， 是光的入射光强度， 是入射光的波长， 是散射角（入射光方向与散射光方向之间的夹角）。

显然，在入射光的平行和反平行方向上，光散射程度最强。

而在相同的散射角的情况下，散射程度与光的波长的4次方成反比。

可见光范围内，紫光和蓝光的波长最短，所以它们的散射最强。

如下图所示，太阳光射到大气层之后，其他的光几乎都继续沿原方向前行，但蓝光和紫光被散射到各个方向，它们就像被打翻的颜料盒一样，将大气层染成蓝紫色。

光在大气中的瑞利散射

虽然按瑞利散射，紫光的散射程度比蓝光强。但根据上述第一点——紫光的“原材料”含量相对较低很多，所以紫光散射后的绝对强度比蓝光要弱一些。

以上两个原因结合在一起，天空本应该是蓝紫色，但为什么最终我们看到的是蓝色呢？这就要涉及人的视觉系统方面的原因了。

第三，人眼的视觉系统对不同频率的光的敏感度不同。

首先，作为一个次要因素，人眼的晶状体会吸收大量波长小于400nm的紫外线，并对约400-430nm的紫光也有部分吸收，从而减少到达视网膜的紫光。

而更重要的，这背后是视网膜的视锥细胞响应度的叠加效应的作用以及蓝紫光下人眼视觉灵敏度降低的缘故。

决定颜色感知的是视网膜中三种不同类型的视锥细胞，分别是：S-锥细胞：对短波光最敏感；M-锥细胞：对中波光最敏感；L-锥细胞：对长波光最敏感。

三种视锥细胞

对确定颜色类型这件事，大脑并不是通过对比不同波长光的绝对强度来确定，而是通过比较三种锥细胞信号的相对强度来完成。

来自天空的混合光中，S-锥和M-锥细胞同时受到了强烈的、成比例的刺激，S-锥和M-锥细胞的刺激信号叠加组合下，本来的蓝紫光被大脑解读为蓝色。

人眼在明视觉条件下，整体视觉灵敏度函数的峰值在555 nm（黄绿光）。越偏离该峰值，人眼的整体灵敏度越低。

在蓝紫光区域（380-490 nm），人眼的整体灵敏度已经显著下降了。这意味着，即使能量相当的紫光和蓝光，大脑更倾向于识别其中的蓝光，因为它离灵敏度的峰值波长更近。

以上这些原因，最终导致天空被大脑解读为蓝色。

值得进一步阐述的是，天空的不同部分在不同时段颜色也是有所不同的。

首先来看正午时分的情况。

此时，阳光穿过大气层的厚度相对较薄。大量短波蓝光被空气分子向四面八方散射，充满了整个天空。

因此，无论我们朝哪个方向看（除了直接看太阳），都有大量被散射的蓝光进入我们的眼睛，所以天空是蓝色的。

而当你直接看太阳时，由于蓝光成分大量被散射掉了，你看到的是剩余光，它看起来不再是白色，而是偏黄色。

再来看日出或黄昏时的情况。

此时，太阳靠近地平线，阳光需要穿过极其厚的大气层才能到达我们的眼睛。在这段超长的路程中，不仅仅是蓝光，连绿光、黄光等也被剧烈地散射到别处去了。

最终，能够穿透这厚厚大气层、几乎“直线”到达我们眼睛的，主要是最不容易被散射的长波光——红光和橙光。这导致我们看到了通红的太阳和绚丽的霞光。

下面再探究海水蓝色形成的原因。

很多人可能认为：海水的蓝色与天空的蓝色形成机制一样，核心也是上面提到瑞利散射。是这样吗？

非也！

海水的蓝色虽然也有瑞利散射的贡献，但更多的是水对光的选择性吸收导致的。

水分子（H₂O）的分子振动能级与光子的能量发生共振，从而吸收特定波长的光。液态水的吸收光谱显示，它对可见光区的红光、橙光和黄光的吸收率远高于对蓝光和绿光的吸收率。

液态水的吸收光谱

其光强衰减遵循朗伯-比尔定律（Lambert-Beer Law），即

其中， 是深度为 处的光强， 是表面光强， 是介质的吸收系数，它是波长 的函数 。

水的吸收系数随波长的变化

对于纯净水，其吸收系数随波长的变化呈现明显的规律性。在蓝光区域， m，在红光区域， m。

这意味着红光的衰减是蓝光的60倍。计算表明，在1米深度处，只有约74%的红光能够穿透，而99.5%的蓝光仍然存在。在10米深度处，红光的穿透比例降至约0.005%，而蓝光仍有95%的穿透率。

据此，当白光射入水中之后，长波长的红光等很快被水分子吸收，其能量转化为水分子的热运动（水温微升）。

短波长的蓝光很少被水分子吸收，它除了被水分子散射之外，能传播到更深的水中去。

由此可见，海水的蓝色与天空的蓝色的形成机制有所不同。

它的一部分原因是水分子对蓝光的瑞利散射，这与蓝色的天空的形成机制类似。但更重要的原因是，它源于长波部分的光（红光）被水分子吸收了，相当于被过滤掉了，剩下的光中，蓝光的含量更高。

这些被吸收作用过滤之后的光，要么被水分子散射，即所谓瑞利散射，要么继续穿透水体后被水底反射到人眼，散射和反射一起就造成了蓝色的视觉效果。

在中国四川的九寨沟的海子中，得益于湖底的白色钙华沉积物，这些抵达湖底的蓝光被高效地反射回来。

正因为相比海水，九寨沟的海子多了一个底部的高反射的贡献，光的亮度更高，所以它的蓝比海水的蓝更亮，看起来像蓝宝石一样，令人心醉。

到此，本文的基本观点已经阐述清楚了——

天空的蓝色主要源于光的瑞利散射，而水的蓝色主要源于光的选择性吸收。

有人可能会疑问：第一，如何排除天空颜色形成主要是源于空气对光的选择性吸收？第二，如何排除水的蓝色形成主要是源于水对光的瑞利散射？

当然，实验学家可通过测定空气和水对光的吸收情况来回答这两个问题。

对第一个问题，我们可用落日时的红霞来佐证之。

红色的霞光表明，太阳光虽然穿越了的大气层，红光却没有被吸收，只是被散射的程度远小于蓝光，所以能射到你的眼中。假若发生了吸收，我们就根本看不到它了。

对第二个问题，我们可借助简单的思想实验来说明。

假设我们在一个巨大的纯水水箱后面放一个白光光源，我们从水箱正面看，看到的将不是蓝色，而是非常暗淡的颜色，因为大部分光被吸收或透射过去了，只有极少部分被散射。

而当我们从一个深水井的井口往下看（就像看九寨沟的水）时，看到的则是明亮的蓝色，因为我们看到的是被水选择性吸收后剩余的光。

好了，到此为止，关于天的蓝和海的蓝是如何形成的问题，已经解释完毕，相信你应该基本搞清楚了吧！

有问题欢迎在评论区留言

参考文献

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

来源：物含妙理

编辑：小咕咕

转载内容仅代表作者观点

不代表中科院物理所立场

如需转载请联系原公众号