天空和海洋（天空和海洋的关系）

这并不是因为他们相互辉映，它们呈现蓝色因为完全不一样的两个原因。

如果你对你生活的世界产生好奇，你很有可能在想为什么天是蓝色的。人们经常回答的错误原因有：

阳光呈蓝色

氧气是一种蓝色气体

天空映着大海的颜色

虽然每一个回答都是错误的，但是最后一个回答引出一个人们经常怀疑的相关问题：为什么海洋是蓝色的？

从太空看，地球总是被描述为一个淡蓝色的点。但只有海洋才呈现这种深浅不一的蓝色。大陆，云层和冰盖根本不呈现蓝色。是海洋，而不是大气给予地球这样的外表肤色。

数千年中，人们被迫简单地接受世界的这些属性来作为事实。但随着现代科学的进步，我们理解了它们呈现蓝色的原因。




图解：当太阳高悬在头顶，对着天顶的天空呈现更深的蓝色，而对着地平线的天空是更浅更亮的青色。这是大量的大气和低角度可见的散射光引起的。(KARSTEN KETTERMANN / PIXABAY)

与你之前读到的相反，并没有一个单一的原因导致天空呈现蓝色。天并不是因为太阳发出蓝光而变蓝，我们的太阳发出各种不同波长的光，叠加起来是白色。氧气自身并非蓝色，而是在光线下无色透明。然而，在大气层中有很多分子和大一些的粒子发挥作用，以不同的数量散射不同波长的光。海洋对天空的颜色没有任何影响，而我们眼睛的敏感程度是绝对的：我们不能直接看到现实，而是通过我们的感官来感知它，大脑来解释它。

这三个因素 - 太阳的光线，地球大气层的散射效应，以及人眼的反应 - 都使天空产生蓝色。




图解：连续光束被棱镜散射的动画示意图，如果你有能看到紫外线和红外线的眼睛，你就能看到紫外线比紫光/蓝光弯曲更多，而红外线比红光弯曲更少。(LUCASVB / WIKIMEDIA COMMONS)

当我们通过棱镜传递阳光时，我们可以看到它如何分成各个部分。最高能量光也是最短波长（和高频）光，而能量较低的光具有比其高能量光更长的波长（和低频）。光色散是因为波长是决定光与物质相互作用的关键属性。

微波炉中的大孔允许短波长可见光进出，但保持更长波长的微波光进入并反射它。太阳镜上的薄涂层反射紫外线，紫光和蓝光，但允许更长波长的绿色，黄色，橙色和红色通过。构成我们大气层微小而不可见的粒子 - 氮，氧，水，二氧化碳和氩原子等分子 - 散射所有波长的光，但优先散射更蓝，更短波长的光。




图解：瑞利散射对蓝光的影响比红光更多，在可见波长中，紫光分散最多。只是由于我们眼睛的敏感性，天空呈蓝色而不是紫色。最长波长和最短波长的可见光经历瑞利散射出现整数量级的差异。

这背后存在一个物理原因：构成我们大气的所有分子的大小都小于人眼所能看到的各种波长的光。更接近分子大小的波长将被更有效地散射；从数量上讲，它遵循的规律被称为瑞利散射。

在可见光范围内的紫光比另一端的红色长波长光散射的频率高出九倍。这就是为什么，在日出、日落和月食期间，红光仍然可以有效地穿过大气层，但更波长更长的光实际上是不存在的，它们被优先散射掉了。




图解：如图，一些乳白色材料，与大气具有相似的瑞利散射特性。从右上方照射这块石头的白光，石头本身散射蓝光，但允许橙色/红色光优先穿过不受阻挡。

由于更蓝的光更容易散射，任何直射进入的阳光都会变得越来越红，越过它通过的大气层越红。然而，天空的其余部分将被间接的阳光照亮：光照射到大气层然后重新被你的眼睛看到。绝大多数光线的波长为蓝色，这就是白天天空是蓝色的原因。

在有足够的大气将蓝光散射到你的眼睛之前，它只会呈现更红的色调。如果太阳低于地平线，所有的光必须通过大量的大气。更蓝的光线向各个方向散射，而更红的光线更不容易散射，这意味着它需要更直接的路径到达你的眼睛。如果你在日落之后或日出之前曾经坐过飞机，你可以看到这种壮观景象。




图解：在高海拔地区，日出前或日落后天空上，可以看到一系列的颜色，这些颜色是阳光由大气层多次散射造成的。从地平线附近的直射光变得很大，在远离太阳的情况下，散射光仅呈蓝色。

这可以解释为什么日落，日出和月食是红色的，但可能会让你想知道为什么天空呈现蓝色而不是紫色。事实上，来自大气的紫光比蓝光更多，但也有其他颜色的混合。因为你的眼睛中有三种类型的视锥细胞（用于检测颜色），以及单色视锥，所以当你要分辨颜色时，这四种视锥的信号都需要你的大脑来解释。

每种类型的视锥细胞和视杆细胞对不同波长的光敏感，但所有这些细胞都受到天空的某种程度的刺激。我们的眼睛对蓝色，青色和绿色的光的反应比对紫光的反应更强烈。即使有更多的紫光，但它还不足以压制我们大脑提供的强烈蓝色信号，这就是为什么天空在我们眼中呈现蓝色。




图解：人类第一次看到地球从月球边缘升起，用人类的眼睛从太空中发现地球，仍然是人类历史上最具标志性的成就之一。1968年12月的阿波罗8号是成功登月的重要先驱任务之一，它将在今年7月庆祝登月50周年。注意地球的蓝色是由于海洋而不是大气。（NASA）

另一方面，海洋是一个完全不同的事。如果你从整体上看这个星球，从太空中看，你会注意到我们所拥有的水体并不是统一的蓝色，而是根据水的深度有所不同。较深的水域是深蓝色；较浅的水域是浅蓝色。

如果你仔细观察下面的照片，会注意到，与大陆接近的水域（沿着大陆架）是比深海黑暗的深蓝更浅，更偏绿的蓝色。




图解：地球的海洋呈现蓝色，但沿着大陆架，它们看起来比海洋最深处的蓝色更浅。这不是图像构建方式的导致的错误，而是一种真实的现象，它详细描述了不同深度的海洋本身吸收和反射阳光的差异。 （NASA / MODIS / BLUE MARBLE PROJECT）

如果你想要一个更直接的证据表明海洋本身看起来是蓝色的，你可以尝试潜水并记录你所看到的东西。当我们在自然光下拍摄水下照片 - 即没有任何人造光源 - 我们可以立即看到一切都呈蓝色调。

当我们越潜越深，达到30米，100米，200米的深度时，一切都会出现蓝色。水就像大气一样，也是由有限大小的分子制成的：比我们能看到的任何光的波长都要小，这很有意义。但是在这里，在海洋的深处，散射的物理性质有些不同。




图解：如果你下潜到一个水体中，只允许周围的自然光照射你周围的环境，你会发现一切都呈现蓝色，因为红光是第一个被完全吸收的光。

光通过大气时，大气的主要作用是散射，光通过水中时，水主要吸收（或不吸收）光。水和所有分子一样，对它能吸收的波长有所偏好。水不是具有直接的波长依赖性，而是最容易吸收红外线、紫外线和红色可见光。

这意味着如果你下潜到达一个适度的深度，你将不会感受到太阳的温度，你将免受紫外线辐射，随着红光被带走，事物将开始变成蓝色。向下走一点，橙色也会消失。




图解：在更深的深处，当海水被来自上方的自然阳光照射时，不仅是红色，橙色和黄色也开始消失。即使是绿色也会被吸收，只留下微弱的蓝光。 （DENNIS JARVIS OF FLICKR）

再向前，黄色，绿色和紫色开始被吸收。当我们再下潜几公里的深度时，连蓝光也会消失，尽管这将是最后一次。

这就是为什么最深的海洋呈现深蓝色：因为所有其他波长都被吸收了。最深的蓝色，它在水中所有波长的光中都是独一无二的，具有被反射和重新发射回来的最高概率。目前，地球的全球平均反照率是0.30，这意味着30％的入射光被反射回太空。但如果地球完全是深水海洋，我们的反照率将只有0.11。海洋事实上非常适合吸收阳光！




图解：2001年和2002年拍摄的中分辨率成像光谱辐射计（MODIS）数据的两半球全球复合材料，请注意，正是我们的海洋，仅仅是我们的海洋，使我们的星球从太空中呈现出蓝色。（NASA）

若是因为反射，天空和海洋不会呈现蓝色；它们都是蓝色的，但都是它们自己的原因。如果你将我们的海洋完全带走，人在地面上仍然能看到蓝色的天空，如果你设法把我们的天空带走（但仍然以某种方式给了表面的液态水），我们的星球仍然会呈现蓝色。

在天空中，蓝色光散射的更快，阳光从云层的裂缝中直接照向我们；在海洋中，较长波长的可见光更容易被吸收，因此，光照射的越深，更深的蓝色光就逐渐出现。别的星球可能也有蓝色大气层，比如天王星和海王星。但是地球是唯一一个我们知道的拥有蓝色表面的星球。或许有一天，当我们发现另一个表面同样覆盖着大量液态水的星球的时候，我们就不再孤单了！