【專欄】晚霞為什麼是紅色的談起

文/王至劭（台聯政策顧問、台灣教授協會會員）

我們常常能看到西邊的天空和雲朵被夕陽渲染成橘紅色，更晚可能呈現暗紅色，非常絢爛、美麗，紅色的晚霞如何形成的呢？

首先我們要知道，地球上包裹著一層大氣層，厚度為數十公里，而大氣層中有許多顆粒，包括許多氣體分子。太陽光遇到大氣中大大小小的微粒分子，部分光線的方向會改變，射向四面八方，而原來方向的太陽光線和能量就會被削弱，這種現象就是光的散射現象，又稱瑞利散射。

其次，瑞利散射定律還表明，太陽光譜中波長較短的紫、藍、青等顏色的光最容易散射，而波長較長的紅、橙、黃等顏色的光透射能力較強，整個天空充滿散色的藍光，因此呈現藍色，而紫光雖然波長較藍光更短，散射更激烈，能量也更高，但人眼對藍色的敏感度遠大於紫色，而且，太陽光中紫光的強度(份量)遠不如藍光，所以天空看起來仍是藍色。

傍晚時分陽光是斜著穿過大氣層，在大氣中要經歷很長的路程才能抵達我們的眼睛，在這過程中波長較短的紫色、藍色等減弱得比較多，大都散射掉了，散射後難以穿透如此長的路程，紅色或橙色光減弱得最少、穿透最多，因此雲層就會被染成紅咚咚的顏色。還有，海邊細小海水珠、細小鹽粒子多，他們的直徑比一般空氣分子大得多，空氣分子容易散射藍光，粒徑較大的粒子容易散射波長較長的紅光(可想成，小的和小的玩，大的和大的玩。)因此，海邊的夕陽往往比山上或大平原的夕陽更紅。

瑞利散射規律是由英國物理學家瑞利勛爵（Lord Rayleigh）於1900年發現的，因此得名。瑞利散射的强度與波長四次方成反比，所以太陽光譜中波長較短的藍紫光比波長較長的紅光散射更明顯。另外，由於大氣密度隨高度急遽降低，大氣分子的散射效應相應减弱，天空的顏色也隨高度由蔚藍色變為青色（約八公里高，坐國際線飛機可見）、暗青色（約十一公里）、 暗紫色（約十三公里）、黑紫色（約二十一 公里），再往上空氣非常稀薄，大氣分子的散射效應極其微弱，天空便為黑所淹沒，和沒有大氣層的月球天空一樣黑，白天也看得見星星。但請特別注意，天空是黑色，白天太陽永遠高照，太陽下東西當然看得見，只是陰影會很黑。地球上的陰影下可看書還是因為漫射。

科學來源於生活，光學原理就在我們身邊，我們見到的大海一般都是藍色的。但事實上，海水本身是沒有顏色的，之所以呈現出色彩皆是因為光學原理的影響，其原理和天空不太一樣。波長較長的紅、橙、黃等光束射入海水後，很快被水分子逐步吸收，剩下的藍、青光束波長較短，能量、穿透力較強，不易被吸收，因此三、五十米海底，往上看海水更藍，筆者會潛水，知道確實如此。此外，藍光射入海水後，有一部分還容易向四面散射和反射，這點類似瑞利定理，因此，我們看到的海洋裡的海水便是蔚藍色一片了。

高速公路用黃燈道理相同，黃色燈光穿透力較強、照得遠，比較能看清楚、看得遠，若用白色水銀燈，眼睛容易花掉，高速公路必須看得遠。

接著筆者談點有趣物理，A和B兩個變量常有不同的數學關係，最有名的是「重力和距離平方成反比」；剛剛說過，瑞利散射強度是和入射光波長四次方呈反比，也就是和其入射光頻率的四次方成正比(波長和頻率反比)；而理想黑體的輻射功率與其溫度的四次方成正比；月球對地球潮汐力強度與月球至地球距離的三次方成反比…，例子很多很有趣，您如果想知道為什麼，怎麼算出？那就要讀物理了。