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2021-03-01海和天為什麼是藍的？
615 期
Author 作者
張之傑／科普作家。
天空海洋顏色散射瑞利散射波長環球科學札記
摘自《環球科學札記》
我們這趟環球之旅，很少遇到陰雨天氣，特別是在紅海和地中海期間，晴空無雲，天藍得透亮，沒有一點兒雜質；海藍得像面鏡子，閃耀著藍寶石似的光影。
若干年長或行動不便的乘客，喜歡鎮日坐在八樓長廊的沙發上，望著舷窗外的碧海藍天打發時光。我常帶著筆電在八樓長廊寫作，累了就眺望著海天一色的海平線。由於地球是圓的，海平線以一個很大的弧度中消失在視線中。
瑞利散射解開天空的顏色謎團
海和天為什麼是藍色的？這和散射有關。陽光射到地球，會碰到空氣和懸浮在空中的小水珠（雲），使得天空的顏色經常展現變化。晴天的時候，射到地球上的光線碰到空氣中的氮分子或氧分子，就會引起散射作用，藍光的波長較紅光短，散射得較厲害，看在我們眼裡，天空就成為藍色的。
這個道理看起來好像很簡單，但是人類明白這個道理是19世紀末葉的事。1873年，英國物理學家瑞利（Lord Rayleigh，圖一）是第一位看天看出名堂的人。他的散射理論──瑞利散射（Rayleigh scattering），使我們了解天色的秘密。
在陽光的七種色光中，紅、橙、黃光的波長較長，藍、靛、紫光的波長較短。所謂波長，就是兩個波峰間的距離；而波峰，是指物質振動最大的地方。舉個例子，當我們扔一塊石頭到水裡，會激起一圈圈漣漪。兩圈漣漪間的距離就是波長。當然啦，光波的波長比漣漪的波長小得多了，波長最長的紅光，約620～750 奈米（nm）；藍光波長則約450～495 奈米。
瑞利發現，散射不會改變射入光的波長，只會改變射入光的方向。那麼散射又怎麼會造成天空的各種顏色呢？原來散射的作用截面，既與散射粒子的大小有關，也與被散射光的波長有關。空氣中的氧分子、氮分子，大小恰好可以散射波長較短的藍光，藍光散了一天，天空當然呈藍色的。
到了傍晚，夕陽西下，陽光打斜裡射過來，較接近地面，而地面的空氣含有較多的水氣和灰塵，粒子比氧分子、氮分子大得多，較容易散射波長較長的紅光、橙光或黃光，艷麗的晚霞就是這樣散射出來的。
圖一：英國物理學家瑞利。（public domain, Wikipedia）
雲與陽光交織的璀璨色彩
如果天上水浮著小水滴，也就是雲，那又是另一種景象。小水滴比灰塵大得多，各種波長的色光都能被它散射，結果，雲就成了白色的。如果雲層較厚較密，陽光穿不過去，就變成了灰色或黑色。白雲蒼狗，不過是陽光玩的把戲而已！
當雲聚成雨滴的時候，顆粒就更大了，大得具有稜鏡的作用。倘若一邊已經出太陽，一邊還在下雨，陽光穿過雨滴，就會形成我們看到的彩虹。噴泉和瀑布上也可以出現彩虹，原理是一樣的。此次環球之旅，我們看到過幾次彩虹，印象最深刻的一次是在復活節島。公路靠海的一側，忽然出現拱門似的彩虹，距離我們目測不到50公尺。站在彩虹下照相，宛如置身彩虹之下呢！
海水顏色同樣是散射造成的
陽光照到水裡，又是一番景況。較深的水都是藍色的。水原本透明無色，水分子的大小可讓波長較長的紅色繞過去，而波長較短的藍光被散射，所以較深的水莫不是藍色的。水愈深，散射、反射的藍光就愈多，看起來就愈藍了。
同樣是水，為什麼海是藍的，而浪花卻是白的？為什麼驚濤拍岸，會捲起千堆雪？道理很簡單，所謂浪花，其實就是小水滴，可以散射各種波長的光，所以浪花就和白雲一樣，變成白色的了。
就像看天一樣，人類真正懂得看海也是晚近的事。印度物理學家拉曼（Chandrasekhara V.Raman，圖二），從印度搭船去英國。天連海、海連天的景況，使他悟出海水和天空的顏色，都是光線散射所造成的。1921年，拉曼在英國《自然》（Nature）上發表了一篇論文，提出他的散射理論，題目是〈海的顏色〉（The Colour of the Sea）。古今中外，多少人有過「看海的日子」，卻只有拉曼獨居隻眼，看出別人看不出的道理。
圖二：印度物理學家拉曼。（Nobel Foundation, public domain, Wikipedia）
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