【深造物理】為什麼天空是藍色的？不是因為大海反射喔！

天空為何呈藍？最多人傳說的原因是因為大海是藍色，反射上天，所以天就是藍色，但這個說法是錯的！你可能還會問日落時又為何變成金紅？雲為何是白的？這些日常畫面背後，其實是一套相當優雅而嚴謹的光學物理。本文將帶你走過現代大氣光學的要點：瑞利散射 (Rayleigh scattering)、米氏散射 (Mie scattering)、偏振 (polarization)、光學厚度 (optical depth) 與人眼視覺，共同拼出「藍天下午、紅色黃昏」的完整故事。

太陽光不是白紙一張：光譜與波長

肉眼看，太陽光近乎白色，但其實它包含一整條連續光譜，從紫、藍、綠、黃、橙到紅，每種顏色對應不同的波長。可見光大約由 400 奈米 (nm) 到 700 nm：紫光在短波端，紅光在長波端。當這些光穿進地球大氣層，會與氮氣 (N₂)、氧氣 (O₂) 分子，以及懸浮微粒與水滴互動，發生「散射」。散射不是把光吸收掉，而是把光的行進方向改變，像在空間中被「打散」四處飛。

藍天的核心物理：瑞利散射

當散射的對象比光的波長還小很多，例如大氣分子，主角就是瑞利散射 (Rayleigh scattering)。一個簡單但關鍵的事實：瑞利散射的強度與波長的四次方成反比。意思是，波長越短的光被散射得越厲害。把藍光 (約 450 nm) 與紅光 (約 650 nm) 比一比，散射強度大約相差 (650/450)⁴ ≈ 4.3 倍，所以藍光比紅光更容易被「打散」到各個方向，包括你的眼睛。

結果：當你望向不在太陽方向的天空，進入你眼睛的多是被分子「散」過來的藍光，於是天空呈藍。
補充：這不是藍色的「發光」，而是白光經大氣「濾出來」的方向性藍色。

進一步想像：太陽直射方向的天空其實更白、更刺眼，因為那裡的光較少被側向打散，主要是直射加上前向散射的成分；而離太陽約 90 度的天空，藍得更純，因為這個角度最接近瑞利散射的「偏振」與強度極值區域。

為什麼不是紫色的天空？人眼與臭氧的角色

物理上更短波的紫光應該散得更強，但我們的天空看起來是藍而非紫，原因有幾個疊加：

人眼的光譜敏感度：白天視覺由 M、L 錐細胞主導，對綠—黃—紅波段更敏感，對紫端不太敏感；S 錐細胞雖對短波有反應，但整體權重較低。
太陽光譜本身：到達地表前，紫外 (UV) 與靠紫端的光已被上層大氣（特別是臭氧層）大量吸收，抵達地面的紫端能量較少。
多重散射與路徑：大氣中的多重散射會「漂白」極端藍紫的色調，使整體偏向我們最敏感的藍青色域。

綜合起來，雖然紫更易散，但到你眼前的有效能量與人眼權重相乘後，藍色成為主角。

偏振的天空：為何 90 度方向最藍

瑞利散射不只挑顏色，還「挑方向」的偏振 (polarization)。離太陽角距約 90 度的天空，散射光帶有明顯線性偏振。你戴著偏光太陽眼鏡或相機加偏光鏡 (polarizer)，旋轉一下，就會發現某些方向的天空藍得更深、反光更少。

生活應用：漁民、攝影師常用偏光鏡壓低水面與玻璃的偏振反光，讓色彩更純淨、藍天更立體。
自然世界：某些昆蟲能感知天光偏振，用來導航。

日出日落為何紅：路徑拉長與光學厚度

當太陽貼近地平線，光線以斜角穿過大氣，路徑變長很多。根據比爾–朗伯定律 (Beer–Lambert law)，沿途每多一段距離，短波成分（藍、紫）被瑞利散射與吸收大量耗掉，能順利直達你眼睛的就以長波（橙、紅）為主，因此日出日落呈暖色。若當天有細緻的氣膠 (aerosols)，米氏散射會加強前向散射，使靠近太陽的區域顏色更濃郁。

光學厚度 (optical depth)：描述光被散射與吸收的累積程度；靠近地面空氣更濕、更塵，光學厚度更大，夕陽更紅、天空更白。
「藍時刻」：太陽剛落下、仍有散射光從高空映下，地景與天空的色溫偏藍，視覺上特別通透。

雲為何是白的？米氏散射與「多頻等效」

雲滴的尺寸（幾微米）與可見光波長相近或更大，主導機制就不再是瑞利，而是米氏散射 (Mie scattering)。米氏散射對不同波長沒有強烈偏好，結果就是全色均勻散射，混在一起呈白色或淺灰。厚雲底部較暗，是因為多重散射後光逃逸困難，亮度耗損。

霧霾、濕度與「蒼白的天」

香港夏季濕潤，空氣中的水汽與細懸浮粒子 (PM_2.5, PM₁₀) 增多，米氏散射抬頭。這會把天空的藍「洗淡」，形成奶白或灰藍。科學上會用「氣膠光學厚度」與「安格斯壯指數 (Ångström exponent)」描述粒子尺寸分佈與波長依賴：粒子越大，顏色選擇性越弱，天空越發白。

藍天不是海反射來的；那海為何是藍的？

常見誤解是「海是藍的所以天空藍」。事實上相反：晴天時海面反射部分藍天，讓你覺得海更藍；但天空的藍主要來自大氣分子的瑞利散射，與海無涉。

至於海洋本身，主要機制有兩個：

水分子對紅光有微弱吸收，藍綠較容易穿透與散射回來，宏觀上呈藍綠。
懸浮物（浮游植物、沉積物）改變散射與吸收，使近岸常呈綠或褐。

其他世界的天空：火星、土衛六與月球

火星：天空常呈奶茶色或黃褐色，因為細塵主導米氏散射；但在日落時，火星會出現淡藍的夕陽，這是因為其塵埃對藍光有較強的前向散射，與地球相反，讓靠近太陽的區域泛藍。
土衛六（泰坦）：厚橙色霧霾，甲烷與複雜有機顆粒造成強烈散射與吸收，整體偏橙。
月球：幾乎沒有大氣，缺乏散射，白天也是黑色背景，只有刺目的太陽。

一點點更深入：分子如何把光「散」開

在瑞利散射圖像裡，入射光的電場讓分子內的電荷雲稍微被拉扯，形成瞬時偶極子，這個偶極子再把能量以電磁波形式輻射出去。對遠場觀察者來說，就像光被彈到不同方向。由於這種誘導偶極子輻射的效率與波長呈強烈反比，短波更「有效」地被散射。

若把粒子尺寸 r 與波長 λ 的比值 x = 2πr/λ 作為參數：

x ≪ 1：瑞利散射，藍光偏好強。
x ~ 1：米氏散射，顏色偏好弱，常見於霧、雲。
x ≫ 1：幾何光學主導，產生明顯的反射與折射效果（如彩虹、光暈另當別論）。

散射類型	典型粒子尺寸	對顏色的偏好	常見例子
瑞利 (Rayleigh)	分子級 (≈ 0.3 nm)	強烈偏短波 (∝ 1/λ^4)	藍色天空
米氏 (Mie)	微米級 (水滴、塵)	偏好弱、常近中性	白雲、霧霾、奶白天空

為何地平線附近較白、較灰？

當你看向地平線，視線在大氣中穿行的有效路徑更長，累積更多米氏散射與多重散射，藍色被「稀釋」，因此顏色更淡、更灰白。同時，城市近地層的氣膠濃度更高，進一步洗淡藍色。

如何「看見」更藍的天空：實用觀察指南

角度：背對太陽約 90 度方向通常最藍、偏振最強。
天氣：冷空氣、鋒面過境或雨後，氣膠被清洗，藍色更純；夏季濕熱時較易顯白。
高度：登高（如大帽山）能減少近地層霾的影響，藍度提升。
工具：偏光鏡能有效加深藍天、減反光，但要注意旋轉方向與太陽相對位置。

在家動手做：牛奶水的「小藍天」

準備：一杯清水、少量牛奶、手電筒。
做法：在清水中滴入極少量牛奶（讓水中有微小脂肪顆粒），用手電筒從側面照過去。
觀察：正對光源看，光呈偏黃紅；從側面看，散射光帶藍感。這是「廷德耳效應 (Tyndall effect)」，與瑞利/米氏散射同一脈絡。

色彩與視覺的最後拼圖：我們如何把散射轉成「天空藍」

眼睛的視錐細胞 (cone cells) 有三類：S（短波）、M（中波）、L（長波）。白天在明所視 (photopic) 模式下，M、L 的權重較高。天空的散射光雖富含短波，但不是單色，它混合了一些綠與紅成分，加上人眼的敏感度曲線，腦部會把這種光譜組合解讀為「天空藍」或「青藍」。攝影上的「白平衡」與「色彩空間」處理，某程度就是把這種人眼‑光譜的匹配轉譯到數碼影像。

一道簡潔的總結：把藍、紅與白串起來

藍天：分子主導的瑞利散射對短波更強，藍光被散到各處，尤其是離太陽約 90 度的方向。
紅霞：日出日落時路徑拉長，短波一路被耗散掉，抵達你眼前的多為長波紅橙。
白雲：大水滴與冰晶尺寸大，米氏散射對各色近乎平均，混出白色或淺灰。
蒼白天空：氣膠與水汽多時，米氏散射把藍色洗淡，對比降低。

結語：抬頭看天，是門活生生的物理課

下一次在維多利亞港海旁散步，不妨停下來看看天空的顏色與層次：朝向太陽與背向太陽是否不同藍？地平線是否更白？雲緣是否刺白、雲底微灰？當你感覺到一絲絲規律，就已經在用物理的方式與世界互動。藍色的天空不是自然「指定」的顏色，而是太陽光譜、人眼視覺與地球大氣共同演出的結果；而每一次天氣變化、每一陣海風捲起的水汽，都在繪製你眼前的這片色彩。把這些知識帶在身邊，日常風景會更加豐富，也更耐看。