『明明宇宙是黑的，為什麼地球上的我們可以見到天空有這麼多種顏色？』好奇的小孩常常愛發問。
『因為地球被一層可愛的大氣層包起來啊！』大氣層不只幫地球保溫，阻擋輻射，也把小隕石變成美麗流星來保護著地球，空氣中無數飄浮的細小粒子還使太陽光因漫射、散射而產生不同於月球(註1)的彩色天空喔！
地球的天空為何多彩？這一切與散射有關。在光的傳播過程中，光線照射到粒子時，可以發生兩種情況；如果粒子大於入射光波長很多倍，會發生光的反射(不同色光均遵守反射定律，入射角=反射角)；如果粒子小於入射光波長，則發生光的散射。(散射：光通過不均勻介質時，偏離入射方向而向四周傳播，與漫反射不同。不同頻率(波長)的色光，散射程度不同。)
照中文字面意思與用法上，常會把漫反射與散射弄混，以為只要光碰到微粒偏離方向，或往四面八方傳播，就是散射。漫反射是光遇到界面凹凸時朝不同方向傳播，每一道光線皆遵守反射定律。而散射分成好幾種，散射強度與粒子的大小有關，還涉及光的能量與頻率的變化，相當複雜。若用粒子觀點來解釋漫反射與散射的不同，前者像彈性碰撞，後者則像非彈性碰撞。(我的物理並不好~只能這樣粗淺解釋了。)
天空中也常可見散射現象，例如雲隙光或耶穌光，此時懸浮微粒的顆粒較大而顯現陽光透出後的光徑(屬於廷得耳散射，不是漫反射)。如果空氣中懸浮的粒子非常微細時，陽光散射後造成的結果(屬於瑞利散射)就跟這篇要討論的藍天、夕陽有關了。
『天空藍和落日紅，為何跟大氣層有什麼關係？』看來是白光的太陽光，其實是由紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫等色光組合而成。不同頻率(波長)的色光，散射程度不同，短波長的藍光、紫光要比其他可見光散射得強烈。黃昏日落(或清晨日出)時太陽與地面夾角小，陽光要通過較厚的大氣層，眼睛所見的是較不易被散射的紅黃光，因此感覺太陽是紅色，天空的雲也因反射紅光呈現美麗彩霞。
喜歡夕陽，無限好！
把手電筒當作小太陽，用很稀很稀的牛奶來製造一個大氣層，可以模擬夕陽紅！網路上有幾種簡單的實驗，例如：NTCU科學遊戲實驗室：牛奶的散射，裡頭有非常詳細的原理解說。
實驗方法是這樣的：
1.將透明玻璃杯裝水約八分滿，用手電筒照射，透過玻璃杯在另一側看，你看到什麼？由玻璃杯側邊觀察，是否有光線透出？
2.水中滴入1~2滴牛奶後攪拌均勻，用手電筒照射，這時候看到的光跟剛剛有什麼不同？由側邊觀察又有什麼不一樣？
3.每次逐漸增加1~2滴牛奶，觀察手電筒對向與玻璃杯側邊光線的變化。
結果：
1.只有清水的時候，手電筒的光線是白光。(就像是平常的太陽。)
2.當逐漸加入牛奶的時候，在對向發現光線逐漸轉成橘黃色。(就像是夕陽！)
3.此時在玻璃杯外側看，則是看到藍色的光透出，讓鮮奶變成藍色。(就像是我們的藍天！)
光線通過牛奶溶液，藍光被散射了，而透射出較不易被散射的黃光，就像是夕陽。(對向液面可以見到微藍~)
可是，我只拍得出手電筒穿過稀牛奶的昏黃光線，卻抓不到側面的藍影，用肉眼也無法觀測到明顯的藍光散射。後來才發現是因為所使用的是LED手電筒，白光是用藍光LED加螢光粉的黃光組合而成。如果要像上面的實驗一樣，就要使用白熾燈手電筒，但此物已經很少~。 另一方面，LED手電筒的光很強，傻瓜相機總是拍不出直視後手電筒的白光效果~
試了好久，無意間看到手電筒液面反射光投影，最後試到這個方法。透過表面反射與水中透射，可以同時比對正常太陽與夕陽，拍出對照組與實驗組。
準備材料：一個方形的透明容器(我用迴紋針的盒子)，稀薄牛奶溶液，LED手電筒。
上方反射出的白光為對照組，就像是平常的太陽！
下方透射出的黃光，則是手電筒光線經牛奶溶液散射藍光後顯現的結果，就像是夕陽。
不同相機拍出的感覺不同，但表面微微散射出的藍，真的還是抓不到~。
(後來才看到阿簡的藍天夕陽，他用LED燈搭配熱熔膠，藍光散射效果很好~怎麼沒想到這麼做呢！)
回到地球的天空，被大氣層散射掉的藍光到那兒去？可沒有白白浪費喔！ 在地球另一側(側面)，被散射的藍光布滿了整個天。經過大氣時的側向散射光(藍光紫光)進入人眼，就會看見晴朗的天空是藍色的！至於，陰天時空氣懸浮粒子較多，各種光線散射的結果，天空就變成白色了。
想一想，如果沒有大氣層，地球的天空會是什麼顏色的呢？
註1：月球因為無大氣，天空看起來是黑的，火星也是有大氣，天空會像地球一樣藍嗎？在維基看到，透過登陸裝置回傳的照片顯示，火星的天空是黃褐色的，晨昏時則帶點粉紅色。這與火星大氣一直充滿著塵埃有關，塵埃粒子會吸收藍光，使天空呈現黃褐色。如果沒有塵埃，但因火星大氣較地球稀薄很多，就會像地球高山一樣，出現暗藍色天空。
註2：颱風要來之前，黃昏的天空是玫瑰色。夏天也常見到整片紅的火燒雲。在WeatherRisk，看到火燒雲的介紹： 『……這與台灣附近有低壓系統存在有關。低壓系統的沉降氣流會抑制懸浮微粒的揚起，懸浮微粒的減少，使得進入地表的太陽光線較為充足，此時看到的晚霞就會比平時來得繽紛亮眼。』再來，低壓天氣系統外圍環流的雲帶多為積雲，因此紅黃光照射時，便將天邊染成鮮豔奪目的紅色。甚至，火燒雲還可以來預測天氣喔~，『......諺語“早燒不出門，晚燒行千里”，就是說，火燒雲或火燒天如果出現在早晨，天氣可能會變壞；出現在傍晚，第二天是個好天氣......』
為了拍出夕陽，zfang成了蹲在辦公桌下的科學家！
(同事堅持要幫我留影~呵呵，實驗精神可佳吧^__^)
2014-02-20