科普乐园——天空的颜色，了解进入你眼睛的那道光

据报道，2022年5月7日晚，浙江舟山出现罕见的血红色天空。对此，当地的气象局人员给出的解释是，当天大气条件是多云并有雾，红色的天空可能是大气中的雾气对光线的反射或折射所造成。实际上，历史上也同样出现过若干次这种景象（例如1770年，多国曾出现一场长达9天的血色天空）。而且，天空的颜色还出现许多其它的颜色（比如说绚丽的极光）。

为什么我们会如此惊讶于天空的颜色，当舟山的天空呈现红色就能够马上冲上热搜呢？天空是蓝色的，这一现象对于我们来说是如此熟悉，这是我们大部分时候所看到的，也是教科书上所介绍的，以至于我们常常认为蓝色的天空就是理所当然的。但天空为什么是蓝色的呢？傍晚时的红色霞光，天上飘的白色云朵，下雨时的乌云密布，还有雨后天晴的七色虹彩，这些天空上的颜色又是怎么产生的呢？甚至更幼稚的问题是，为什么有所谓的黑夜（黑色的天空）？可能脱口而出的答案是因为晚上看不见。但实际上，这本来就反映了一个基本的科学事实，即我们所看见的，本质上是有光线进入我们眼睛。而要解释天空的颜色，我们就要了解由天空进入我们眼中的那些光。
1. 光的基本性质和光谱
由中学物理，我们知道光的本质是电磁波的一种，而“光“只是从人眼的感觉出发定义的概念。电磁波包括电场（记为E）和磁场（记为B），它们以相同的频率v振荡。这两个场相互垂直并在与它们的方向正交的第三个z 方向上传播，如图所示。

电磁波的传播
对于电磁波/光的描述，首先一个基本常识是真空中的光速c=3x108m/s。其次在给定点，这些场以周期 T 循环振荡，周期T以秒表示。 波长λ是描述了两个场相邻波峰或波谷之间的距离，可以使用震荡周期与速度的乘积计算 : λ = cT。波长单位是米，但是对于电磁波，往往其波长很小而是用um（微米）或nm（纳米）作为常用单位。波也可以通过其频率ν 来描述，该频率正是周期 ν = 1/T 的倒数，并以赫兹 (Hz) 表示；1 Hz 对应于周期T = 1s。