据报道，年5月7日晚，浙江舟山出现罕见的血红色天空。对此，当地的气象局人员给出的解释是，当天大气条件是多云并有雾，红色的天空可能是大气中的雾气对光线的反射或折射所造成。实际上，历史上也同样出现过若干次这种景象（例如年，多国曾出现一场长达9天的血色天空）。而且，天空的颜色还出现许多其它的颜色（比如说绚丽的极光）。
为什么我们会如此惊讶于天空的颜色，当舟山的天空呈现红色就能够马上冲上热搜呢？天空是蓝色的，这一现象对于我们来说是如此熟悉，这是我们大部分时候所看到的，也是教科书上所介绍的，以至于我们常常认为蓝色的天空就是理所当然的。但天空为什么是蓝色的呢？傍晚时的红色霞光，天上飘的白色云朵，下雨时的乌云密布，还有雨后天晴的七色虹彩，这些天空上的颜色又是怎么产生的呢？甚至更幼稚的问题是，为什么有所谓的黑夜（黑色的天空）？可能脱口而出的答案是因为晚上看不见。但实际上，这本来就反映了一个基本的科学事实，即我们所看见的，本质上是有光线进入我们眼睛。而要解释天空的颜色，我们就要了解由天空进入我们眼中的那些光。
1.光的基本性质和光谱
由中学物理，我们知道光的本质是电磁波的一种，而“光“只是从人眼的感觉出发定义的概念。电磁波包括电场（记为E）和磁场（记为B），它们以相同的频率v振荡。这两个场相互垂直并在与它们的方向正交的第三个z方向上传播，如图所示。
电磁波的传播对于电磁波/光的描述，首先一个基本常识是真空中的光速c=3xm/s。其次在给定点，这些场以周期T循环振荡，周期T以秒表示。波长λ是描述了两个场相邻波峰或波谷之间的距离，可以使用震荡周期与速度的乘积计算:λ=cT。波长单位是米，但是对于电磁波，往往其波长很小而是用um（微米）或nm（纳米）作为常用单位。波也可以通过其频率ν来描述，该频率正是周期ν=1/T的倒数，并以赫兹(Hz)表示；1Hz对应于周期T=1s。
通过波长或频率，我们就可以根据波长的长短来对电磁波进行分类，也即电磁波谱或光谱。电磁波谱表示所有电磁波根据其波长或频率的分布。该光谱具有相当大的范围，在最短波长γ射线的波长（10-14mλ10-12m）和最长的无线电波波长（10-1mλm)，如图所示。可以看到电磁波中除了广义的光（紫外光、可见光、红外光），还包括波长短于“光”许多的γ（伽马）射线、X射线，以及波长长于“光”许多的微波和短波，长波等多个种类。可见光区对应于我们肉眼可感知的光谱中非常窄的部分，我们所见的各种颜色即是可见光区的电磁波进入到人眼然后被视网膜接收并传输给大脑神经。其范围处于紫光的λ=0.4m和红光的λ=0.8m之间。白光是可见光谱中所有波长的波的叠加。而太阳辐射则是在λ=0.5m（绿光）附近达到其最大强度
电磁波谱另外，光除了具有波的性质，还同时具有粒子的性质，也即光的波粒二象性。光的粒子(光子)携带与频率成正比的能量子E=hv(h为普朗克常数)，对于太阳辐射到地球时，其与地球大气之间进行能量交换就是通过光子在大气中的吸收和散射进行的。
2.太阳辐射与大气粒子的相互作用
来自太阳的辐射穿过地球大气层时，会与气态分子和粒子（水滴、尘埃、气溶胶）相互作用。然后会出现两种基本现象：吸收和散射。当辐射被完全或部分吸收时，辐射的能量转移给吸收的分子，从而导致光线衰减。当辐射不被吸收时，它可以向各个方向偏转（类似于乒乓球撞到铁球上被弹开），这就是大气散射现象，其性质取决于几个因素：辐射的波长、粒子和大气分子的密度和颗粒大小、以及要穿过的大气层厚度。散射一般分为三种类型：瑞利散射、米氏散射和非选择性散射。如下所述，三种散射类型同时存在，而到底何种散射占据主导地位取决于地球大气的状态。而不同的散射结果就导致了进入我们眼睛的光线不同——天空不同的颜色。
阳光穿过大气层3.天空的蓝色
当大气中的颗粒远小于太阳辐射的波长时，主要发生瑞利散射。瑞利散射是由于大气中存在的气态分子（O2、N2、CO2、水蒸气等）和非常非常小的尘埃颗粒。通常，满足瑞利散射需要这些颗粒物的尺寸小于纳米级别。
具体地，入射波的振荡电场使原子的电子云变形。它构成了一个振荡的电偶极子，然后类似于发射天线向各个方向辐射入射波相同频率的光，图中显示了一个诱导的偶极子的机制。
瑞利散射机理但是这种散射并不是对所有波长的光都一视同仁的。实验发现，散射辐射的强度与入射辐射波长的4次方成反比。也就是说波长越短（如紫光，蓝光），其散射越强。
由于紫光的波长比红光短两倍，紫光的扩散率是红光的16倍，这就解释了天空为什么是蓝色的。
蓝色的天空4.天空的灰色
当大气中存在的粒子尺寸比辐射波长略大或处于同一数量级时，如大气中的水滴、冰晶、气溶胶（灰尘、烟雾、花粉），此时瑞利散射让位于米氏散射，其机制和性质不同。尽管米氏散射与入射辐射的波长也成反比，使其散射光偏向于蓝色，但相较于瑞利散射的4次方的幂级增强，其蓝色的主导地位没那么突出。使天空呈现褪色的蓝色甚至灰色。而且米氏散射的发生一般在大气的低层，因为这里气溶胶含量最高（灰层，烟雾等大的颗粒），因此常常给人灰蒙蒙的压抑感觉。
阴天5.天空的白色（云朵）
当大气颗粒的大小远大于辐射的波长时，就会发生非选择性散射。尤其是对于雾气水滴达到上百微米的大小的颗粒（也即我们看到的云朵）。所谓非选择性散射，顾名思义，其会无差别的散射所有波长的光。而一个常识是所有光的复合色是白色，这就解释了云朵的白色。同样地，这也可以解释雪的白色，因为雪的颗粒也足够大，从而发生非选择性散射。
白云6.天空的乌色（乌云）
前面介绍的三种颜色是由于大气中的颗粒由小到大发生不同类型的散射所导致的。而对于我们有时看到的的乌云，并不是由于颗粒原因导致的散射，而是相应区域的大气颗粒层太厚（主要是水滴），导致太阳辐射被大量吸收。
乌云7.天空的红色（霞光和夕阳）
在黎明和黄昏，当太阳在地平线上较低时，辐射穿过的大气层到达我们眼睛的厚度比白天要大得多。由于短波长（蓝紫光）向各个方向散射并被吸收，不能穿过相应的区域，到达我们眼中的主要是穿透能力好的长波长的红黄光（这就是为什么一般大雾中的警示灯用红色和黄色的原因），因此天空在落日或升起的方向上呈现橙红色的霞光和夕阳。
晚霞8.天空的白色（烈日）
在正午时分观察太阳（费眼），此时强烈的太阳辐射使得大气的散射可以忽略不计。各种波长的光直接透射进入我们的眼中，所以呈白色。
烈日9.黑色的天空（黑夜）
晚上天变黑，这似乎很好解释，因为没有太阳辐射，没有光线被大气散射或透射过大气进入到我们眼中，所以地球总有一半地方是黑色的天空。
然而，这有不是关于黑夜的全部事实，月亮和星星依旧可以给我们带来微弱的光线。
对于月亮，它会将太阳辐射反射回我们。这种反射的阳光，其实也会产生少量的瑞利散射。然而，月光比太阳光暗约,倍，这不足以让我们的眼睛分辨出夜空产生的蓝色。
当没有月亮反射阳光时，夜空的颜色来自宇宙深处。遥远的恒星以不同的色温发光——较冷的恒星发出红色光，而较热的则发出蓝色光。当这些恒星的光叠加，就会产生均匀的光背景。银河系的恒星密度很高，这就是夜晚天空，我们可以观察到一条微亮的光带——银河。
夜晚的银河通常夜间天空的颜色由于太微弱而不能用肉眼看到，尤其在有高光污染的地方，但可以通过长时间曝光摄影来揭示。
除了上面介绍的一般的天空的颜色，实际上，天空的颜色还会比之更加丰富多彩。下面分享一些不常见的天空的颜色。
10.雨后天晴——彩虹色
早在年，牛顿就通过实验表明白光是由不同颜色的光混合而成的。他使用棱镜将光分开，解释说白光中的不同颜色在发生折射时，紫光比红光更容易弯曲，从而分离出颜色并产生光谱。
当太阳在我们身后的天空中时，倘若我们前面有雨。来自太阳的白光被球形雨滴反射和折射，类似于牛顿实验中的棱镜，形成了我们看到的彩虹。
雨后彩虹11.红色的天空
年9月，加州山火浓烟染红了旧金山的天空，社交媒体上充斥着世界末日的景象。这主要是因为由于火灾产生大量的烟雾颗粒，从而悬浮在空气中。这些烟雾颗粒的尺寸比空气分子要大，所以瑞利散射被米氏散射所取代，从而散射的蓝紫光减少，而红橙光增强，使得天空呈现出不祥的红色色调。
实际上，当沙尘暴或火山爆发来袭时，也会出现同样的现象。这些都在因为天空中存在大量尺寸大的颗粒散射红光。
山火导致的红色天空12.暮光蓝的天空
如前面所言，在白天，天蓝色的天空颜色是由于大气中尺寸小的气体分子对光的瑞利散射是造成的。在日暮时分，由于穿过的大气厚度增加，来自太阳的蓝光在到达我们的眼睛之前就都被散射掉了，从而呈现红色的霞光和太阳。但为什么有时我们在黄昏太阳落下地平线时却能够看到比白天天空更蓝（暮光蓝）的天空呢？。
实际上，暮光之蓝的出现是出于不同的原因。我们知道在大气层中有一层薄薄的臭氧层，而臭氧颗粒能够吸收较长的红色和橙色波长（Chappius吸收），因此留下深蓝色。这中吸收在白天也会发生，不过由于光线太强，瑞利散射占主导地位。当太阳落山后，瑞利散射变得微弱，从而Chappius吸收成为形成暮光蓝的主要效应。
暮光景观13.幻彩的天空（极光）
极光是发生在极地附近的壮丽的自然景观。通常，它出现在高纬度地区。
极光是由来自太阳的带电粒子流引起的。它们向地球移动，大部分从地球磁场被弹开。然而，还有一些会偏向北极和南极。在那里，它们激发空气中的氧原子和氮原子。当原子被激发时，它们会从能量低的基态移动到更高的能量激状态。一段时间后，被激发的原子跃迁回原来的低能态，并伴随着发出光线。其中氧原子产生激发跃迁发出绿色，而氮原子则会产生红色和紫色。
幻彩北极光14.蓝色的天空（来自太空）
我们常听宇航员描述从太空中看到的地球——蓝色星球。实际上，他们的确是只能看到一颗蓝色玻璃球一样的星球。由于地球上海洋面积占比高达70.8%，就宛如一面巨大的镜子，反射着大气层的蓝色图像。
写在最后
除了蓝色，天空的颜色比我们想象的要更加丰富多彩。几千年来一直让人们好奇和着迷，并衍生出一系列的传说和故事。如今，科学技术的进步，我们已经能够很好的解释这一切——太阳光与大气中的粒子相互作用产生了我们在天空中看到的各种颜色。红橙黄绿青蓝紫，天空宛如一幅不断变化的画布，将继续吸引我们，从孩童到成人，从过去到未来。
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