天气与气候 · 2026/10/14 · 更新 2026/10/15

天空为什么是蓝色的？晚霞为什么是红色？瑞利散射原理

本文在AI辅助下由原文翻译而成。请结合原文核对专业术语和公式。

天空是蓝色的，是因为空气中的氮分子和氧分子对短波长光的散射远强于长波长光，这种现象叫瑞利散射。散射强度与波长的四次方成反比（即 1/λ⁴），所以450纳米蓝光被散射的程度约是700纳米红光的5.9倍，被散射开的蓝光从天空的每个方向进入你的眼睛。到了日落时分，阳光穿过的空气厚度最多可达太阳在头顶时的约38倍，蓝光在途中大部分被散射出光束，留下的主要是橙光和红光，晚霞因此是红色的。

示意图：白色阳光从左侧进入大气层，空气分子把蓝光向四面八方散射，因此地面上的观察者能从整片天空看到蓝色，而红光和橙光基本沿直线继续前进 — 图1. 空气分子把蓝光从阳光束中朝各个方向散射出去，所以整片天空都有蓝光进入你的眼睛；大部分红光和橙光则沿直线继续前进。

阳光其实是各种颜色的混合

阳光看上去是白色的，实际上是彩虹中所有颜色的混合，每种颜色对应一个波长。NASA 给出的人眼可见光范围大致是380到700纳米（nm），也有资料把红光一端延伸到约750纳米。紫光处在短波一端，往后依次是蓝、绿、黄、橙，红光处在长波一端。

棱镜或雨滴可以把这些颜色拆开。洁净的空气做的事要含蓄得多：它只把一小部分光朝侧面散开，而散开的比例对波长极其敏感。蓝天、红色的晚霞，以及与之形成对比的白云，都可以由这一个事实解释。

瑞利散射：1/λ⁴ 规律和具体算式

当光遇到比自己的波长小得多的粒子时，光的振荡电场会带动粒子中的电子振动，电子再向四面八方重新辐射出光，这就是散射。氮分子和氧分子的直径远不到1纳米，只有可见光波长的千分之一左右，所以它们对光的散射属于以19世纪英国物理学家瑞利勋爵命名的“瑞利散射”（Rayleigh scattering）。散射光的强度与波长的四次方成反比，即正比于 1/λ⁴；换成频率来说，就是与频率的四次方成正比。波长缩短一半，散射就增强 2⁴ = 16倍。

想比较蓝光（450 nm）和红光（700 nm），只需把两个波长相除，再取四次方，结果约为5.86，也就是蓝光被散射的强度几乎是红光的6倍。你可以照下面四步自己验算：

选定两个波长，例如蓝光 450 nm 和红光 700 nm。
用长波长除以短波长：700 ÷ 450 ≈ 1.556。
取四次方：先平方得 1.556² ≈ 2.42，再平方得 2.42² ≈ 5.86。
这个数就是蓝光相对红光的散射倍数，即约5.86倍。

下表把同样的计算延伸到整个光谱，各行都以 700 nm 为参照。

波长	颜色	算式	相对 700 nm 的散射强度
400 nm	紫色	(700/400)⁴	9.38倍
450 nm	蓝色	(700/450)⁴	5.86倍
550 nm	绿色	(700/550)⁴	2.62倍
650 nm	红色	(700/650)⁴	1.35倍
700 nm	深红色	(700/700)⁴	1.00倍

柱状图：以 700 nm 深红光为 1 的相对瑞利散射强度，400 nm 紫光 9.38，450 nm 蓝光 5.86，550 nm 绿光 2.62，650 nm 红光 1.35，700 nm 深红光 1.00 — 图2. 相对瑞利散射强度，按 (700/λ)⁴ 计算。450 nm 蓝光的散射强度是 700 nm 红光的 5.86倍。

你在别处也许会看到其他倍数，这是因为答案取决于把哪个波长算作“蓝”、哪个算作“红”。例如美国国家海洋和大气管理局（NOAA）把蓝光的散射强度说成约为红光的4倍，大致相当于拿 460 nm 对 650 nm 来比。规律始终是同一条，区别只在于选取的两个端点。

天空为什么不是紫色的？

如果只看散射强度，天空本该是紫色的：400 nm 紫光被散射的强度是 450 nm 蓝光的 (450 ÷ 400)⁴ ≈ 1.6倍。有三个因素把天平拨向了蓝色。

阳光里的紫光比蓝光少。太阳发出的各种颜色并不是等量的，光还没到达地球，紫端的输出就已经低于蓝端。
紫光在下行途中损耗得更多。紫光散射得最强，也就最先从入射的阳光中被“剥离”，所以到了大气深处，剩下可被散射到你这边的紫光比蓝光少。
人眼对紫光不敏感。视网膜上感受颜色的三种视锥细胞，响应范围相互重叠，在紫端的响应很弱。大脑会把大量的蓝光和紫光，加上少量的绿光和红光，合成一种偏白的淡蓝色。

所以天空的光并不是某一种纯色，而是偏向短波的一大片混合光，人的视觉把这种混合光认作“天蓝色”。

晚霞为什么是红色和橙色的

晚霞的颜色来自同一种散射，只是要从光束的另一头来看。正午前后，阳光穿过大气的路程很短；太阳很低时，光要斜着掠过厚得多的一层空气，蓝光和紫光在途中不断被散射出去。能一路走完全程的光，成分偏向黄、橙、红，于是太阳的圆面和云层的底部都被染上了暖色。日出时太阳同样很低，道理与此相同。

天文学和太阳能领域用大气质量（air mass，也称光学大气质量）来描述这段路程：光线穿过大气的路径长度，除以太阳在头顶正上方时的路径长度。请注意，它说的是光走过的空气有多长，与天气预报里的“气团”不是一回事。下表的数值来自 Kasten–Young 公式，该公式考虑了地球表面的弯曲。

太阳高度角（距地平线）	相对大气质量
90°（头顶正上方）	1
30°	2.0
10°	5.6
5°	10.3
0°（正好在地平线上）	约38

表中的角度是太阳高度角，也就是从地平线向上量起的角度；公式里用的是天顶角，即90°减去高度角。

两幅对比示意图：太阳在头顶时，阳光穿过的空气路程很短，仍是白色；日落时阳光要穿过约 38 倍的空气，蓝光被散射掉，到达时呈橙红色。下方卡片给出太阳高度 90°、30°、10°、5°、0° 时的相对大气质量：1、2.0、5.6、10.3 和约 38 — 图3. 太阳越低，光穿过的空气越多。在地平线上，光穿过的路程约为头顶时的38倍，蓝光被散射殆尽，留下橙光和红光。

空气每多走一段，就会再拿走一部分蓝光，所以长出38倍的路程几乎能把蓝光滤得一干二净。灰尘、污染物等气溶胶同样会散射光，可能让晚霞红得更浓。同样的道理也解释了为什么靠近地平线的天空比头顶更淡：从低角度射来的光穿过了太多空气，其中的蓝光被一次次散射，混成了泛白的颜色。

云和火星：粒子变大，颜色就变了

云为什么是白色（或灰色）的

云滴比空气分子大得多。典型云滴的直径约为20微米（0.02毫米），大约是绿光波长的40倍。这样大的粒子产生的是米氏散射（Mie scattering），它对各种可见光波长几乎一视同仁。被云散射的光保留了完整的颜色混合，所以云看上去是白色的。云层越厚，穿过的阳光越少，云底就会变成灰色。

空气分子（远小于1纳米）：瑞利散射，强烈偏向蓝光，造就蓝天和红色的晚霞。
云滴（约2–50微米）：米氏散射，几乎不区分颜色，造就白色或灰色的云。

对比示意图：微小的空气分子主要散射蓝光（瑞利散射，形成蓝天），而直径约 20 微米的云滴对各种颜色的散射程度大致相同（米氏散射，形成白云） — 图4. 粒子的大小决定颜色。微小的分子偏向散射蓝光（瑞利散射）；云滴对各种颜色的散射程度大致相同（米氏散射），所以云是白色的。

火星的落日为什么是蓝色的

火星很能说明粒子有多重要。它的大气非常稀薄，主要成分是二氧化碳，悬浮其中的细小尘埃承担了大部分“上色”的工作，所以白天的天空呈橙色至偏红色。到了日落前后，情况反了过来：尘埃让蓝光穿过得略微更顺畅一些，于是落日周围聚起一团蓝灰色的光晕。NASA 的“好奇号”火星车在2015年于盖尔撞击坑拍到了这一景象。

常见问题

天空是蓝色的，是因为反射了海洋的颜色吗？

不是。颜色来自空气本身，所以远离大海的沙漠和高山上的天空同样是蓝的。

在太空或月球上，天空为什么是黑色的？

没有空气，就没有东西能把阳光从远离太阳的方向散射到你的眼中。在大气层之上，或者在没有大气的月球上，即使是白天，天空也一片漆黑。

月全食时月亮为什么会变红？

月全食时，照到月球上的阳光，都是先穿过地球大气层中很厚的一层空气、被“过滤”之后的光，其中的蓝光像日落时一样被滤掉了。NASA 的形容是，仿佛把全世界所有的日出和日落同时投影到了月球上。

参考资料（均为英文页面）：NASA Space Place：天空为什么是蓝色的；NOAA JetStream：云的颜色；西得克萨斯农工大学（Christopher S. Baird）：天空为什么是蓝色的；PVEducation：大气质量（Air Mass）。