近年沙尘肆虐雾霾猖獗，人们渐渐忘记了天空本来的颜色。天空应该是蓝色的吧，但天空为什么是蓝色的呢？这要从很久很久以前……光线的特性说起。
话说整个太阳系的自然光源都来自太阳，太阳光是天然复合光，人类感知为白色（在不同时段和场景可表现为偏红和偏黄，后面解释），白色复合光经过透射物体折射可分解为不同单色光，最经典的例子就是棱镜的色散试验：
它的原理如下图：
那我再提一个问题，生活中还有一个经常看到的光的色散现象是什么？不错，后排那个同学回答的很好，就是彩虹！（鼓掌）
光波的折射有个规律，越是波长短的光越容易被散射分离，而波长越长的光越容易透射过去。那看看下面的图：
根据以上信息，谁能告诉我，哪种颜色的光最容易被散射和分离啊？
嗯，不错，就是蓝紫色！说到蓝紫色，我们脑洞再开一下，紫色是人眼能感知的可见光中波长最短的那端，大家听说过紫外线吧，就是比紫色还要短一点点的光波，人眼不可感知，但可以对人体皮肤会造成伤害，也可以加速衰老，它的穿透性比较弱，一般只能侵及表层，能量很快散失，这就是短波长的特点，容易被偏折也容易被阻隔。
光线经过悬浮细小颗粒也会发生散射，如果颗粒直径非常小（小于波长的1/4，比如遇到大气分子）就会发生分子散射（瑞利散射），效果类似三棱镜。其中蓝紫段波长的效果最明显（原因前面已经说了）
这些散射光在高空大气层弥散，就会呈现上图色彩，深蓝紫色的天空（好深邃好梦幻）。不过这种天空很难见到，需要一定的离地距离，如果离地不够高，空气中悬浮物过多，会把紫色光能很快消耗，只见深蓝不见紫，但如果离地太高，达到外太空，空气太稀薄，阳光散射效应减弱，人眼感知的颜色会变更深更暗直至漆黑，就像上图远方群星背景，其实那才是真实外太空的色彩。
随着距离靠近地球，大气慢慢变密，颗粒增多，分子散射效果增强，天空中弥散的越来越蓝（紫色都被吸收了，就像紫外线无法穿透臭氧层一个道理）。这就像在天气晴朗的高原或山峰看到的头顶的天空，呈现饱和度极高的深蓝色，给人极度纯净的感觉，也确实是空气质量优异的表现。
但同时，如果往远处看，看到天际线一带，却是鱼白色。这是因为水平远眺时视觉穿透的大气是近地层，多是大颗粒、小水滴及悬浮污染物等，这时光线不再遵循瑞利法则，而是变成了米散射，米散射不遵从分子散射那样的散射规律而是遵从更复杂的规律，阳光被散射后基本上仍为白光，使周围大气变成灰白色。
随着继续近地，空气中的气溶胶物越来越多，光线从高空投射下来就像要穿过一层纱帘，所以光通量会降低，色彩饱和度也就降低了，或许只有在雨过天晴，空气中悬浮物较少的时候才会看到较深蓝的天空，其余时间都像下图吧，
也算蓝蓝的天，整个视野较明亮，下面这张更明显些：
有些灰白色的感觉，天空的蓝色不够饱和，充斥着亮光。这是因为米散射的关系，中低层大气微粒越多，就会向各个角度散射越多的直射日光，其结果，首先，将高层蓝色散射光进行再散射，同时结合了灰白色直射日光散射，晴天的天空就变得不再那么蓝，但亮度反而提高。其次，太阳周边产生更大片的直射光散射区，表现为太阳过渡到蓝天的中间部分更大，这些部分通常是灰白色的，或者当太阳接近地平线时偏黄，然后渐变过渡到蓝天。在中低层空气高度纯净的地区，例如西藏，我们经常看到太阳周围很快就是蓝天的景观。下面几张图片，大家体会一些其中区别：
简单的说，天空的蓝色程度、太阳周边过渡区大小以及天际的灰白区可以用来作为衡量中低层大气纯净度的标准。但这里需要解释一下，低纯净度并不一定意味着污染或者灰尘大，因为充足的水气微粒也会造成同样的效应。当水微粒多到形成雾的时候，不仅蓝天完全被散射掉了，连直射日光都被散射得只剩一个模糊的亮点。至于云层铺满天空的阴天，那就不仅是个散射问题，更有反射问题，大量的直射日光被云层直接反射回太空，这种散射也是全波段的。因此，阴天的光线呈现昏暗的灰色调。云层越厚，光线越暗，而散射造成的光线的平均化也越高，整个天空基本上是同一个亮度的。
说到这里，我们不得不要提到雾霾的问题了，再看几张图：
我还是好心的帮大家勾勒了一下，否则真的无法辨识是哪个城市吧！
雾霾是雾和霾的统称，两者其实是不同的，前者多为悬浮近地空气中的微小水滴或冰晶，而后者是空气中的灰尘、硫酸、硝酸等颗粒物组成的气溶胶系统。但雾和霾经常根据空气湿度变换比例共同作用。根据微粒大小和浓度不同形成各种视觉现象，颗粒较小时空气为灰白亮色，主要是米散射效应，如果雾霾较厚重，空气中的光线会“红移”，也就是波长短的光波会被屏蔽，而只显现波长较长的黄色或橙灰色(之所以把红移两个字打引号，因为天文学上还有一个光谱红移的概念，是另外的原理，有兴趣的同学可以自行科普)。这种光线“红移”现象也可以解释为何日出日落的阳光是偏红偏黄的，这是因为太阳接近地平线，需要水平切线穿透较厚云层和大气，只有波长较长的红黄端才可以透射，如下图：
这是一个几乎完美的红移，下次欣赏日出和落日美景的时候，想着这个原理就对了。
同理，如果雾霾比较厚重，即使太阳不是切线方向，也会出现明显“红移”，如图：
如果雾霾的颗粒更大，光线的散射已经不完全遵循米散射，而是会呈现颗粒物自身的色彩，这是视觉感最为糟糕天气，多数出现在北方，和干旱土地沙漠化以及大气环流有关。
不错，上图就是沙尘暴了！
那到底我们的天空应该是什么颜色？
简单的说，如果没有雾霾没有沙尘暴的晴天的平原地区（条件好多），由于大气密度和一定气溶胶关系，天空会呈现淡蓝色（视天气状况从淡亮白蓝色到蓝青色）。随着海拔增高，大气密度降低，天空的蓝色饱和度增加，由淡蓝变深蓝，8000米高峰上会是比较厚重深邃的蓝。11000米高空，深蓝会慢慢变暗，并出现紫色感觉，到13000米时紫色感觉更重，颜色更暗，有些发黑。继续再高，空气更加稀薄，越来越多的太阳光直接穿透，等到连最易散射的紫色波长也不能发生散射的时候，整个太空陷入了一团漆黑，但是这种漆黑只是人类肉眼的视觉感受器（眼睛）无法感知的“漆黑”，在这个漆黑的空间，有很多射线自由的穿过，而其中很多都会对人体造成伤害！想到这里，大家就会懂得地球的大气层对人类有多么重要，它就像给地球穿了一件羽绒服和防弹衣，既保温又防护，所以，珍惜环境，保卫蓝天，让我们的天空一直保持深蓝！