探究地球的天空色彩：夜幕下的黑暗揭示了其多样性的原因

带有气辉和北极光发光的银河系。（马特安德森摄影/盖蒂）

在晴朗的晴天抬头，你会看到蔚蓝的天空。但这是天空的本色吗？或者它是天空的唯一颜色？

答案有点复杂，但它们涉及光、原子和分子的性质以及地球大气层的一些古怪部分。还有大型激光器——用于科学！

蓝天？

所以首先要做的是：当我们在晴天看到蓝天时，我们看到的是什么？我们看到的是蓝氮还是蓝氧？简单回答是不。相反，我们看到的蓝光是散射的阳光。

太阳产生广谱可见光，我们看到它是白色的，但它包括彩虹的所有颜色。当阳光穿过空气时，大气中的原子和分子向四面八方散射蓝光，远远超过红光。这称为瑞利散射，在晴朗的日子里会产生白色的太阳和蓝色的天空。

在日落时，我们可以看到这种效果被调高了，因为阳光必须穿过更多的空气才能到达我们这里。当太阳接近地平线时，几乎所有的蓝光都被散射（或被尘埃吸收），所以我们最终会看到一个红色的太阳，周围环绕着更蓝的颜色。

但如果我们看到的只是散射的阳光，那么天空的真实颜色是什么？也许我们可以在晚上得到答案。

黑暗天空的颜色

如果你看夜空，它显然是黑暗的，但它并不是完全的黑色。是的，有星星，但夜空本身会发光。这不是光污染，而是大气自然发光。

在乡下一个漆黑无月的夜晚，远离城市的灯光，你可以看到天空映衬下的树木和山丘。

这种辉光称为气辉，是由大气中的原子和分子产生的。在可见光下，氧气产生绿光和红光，羟基 (OH) 分子产生红光，钠产生病态的黄色。氮气在空气中的含量虽然比钠多得多，但对气辉的贡献不大。

气辉的不同颜色是原子和分子以光的形式释放特定能量（量子）的结果。例如，在高海拔地区，紫外线可以将氧分子 (O2) 分裂成一对氧原子，当这些原子随后重新组合成氧分子时，它们会发出明显的绿光。

黄光、流星和清晰的图像

钠原子只占我们大气层的一小部分，但它们构成了气辉的很大一部分，并且有一个非常不寻常的起源——流星。

如果你愿意等待，你可以在任何晴朗的黑夜看到流星。它们是微小的流星，由尘埃颗粒以每秒超过 11 公里（7 英里）的速度在高层大气中加热和蒸发而产生。

当流星在大约 100 公里的高度划过天空时，它们会留下原子和分子的痕迹。有时您会看到流星具有不同的颜色，这是由它们所含的原子和分子造成的。非常明亮的流星甚至可以留下可见的烟迹。在这些原子和分子中有少量的钠。

这种钠原子的高层实际上对天文学家很有用。我们的大气层永远在运动，它是湍流，它模糊了行星、恒星和星系的图像。想一想你在夏日午后沿着一条长长的道路看时所看到的闪光。

为了补偿湍流，天文学家快速拍摄明亮恒星的图像并测量恒星图像的扭曲程度。可以调整一个特殊的可变形镜来消除失真，产生比太空望远镜更清晰的图像。（尽管太空望远镜仍然具有不透过气辉窥视的优势。）

这种称为“自适应光学”的技术功能强大，但存在一个大问题。没有足够的自然亮星供自适应光学系统在整个天空中工作。于是天文学家在夜空中制造了自己的人造星，称为“激光导星”。

这些钠原子位于湍流大气之上，我们可以通过向它们发射调谐到钠的独特黄色的功率激光，使它们发出明亮的光。由此产生的人造星可用于自适应光学。你在晚上看到的流星帮助我们以更敏锐的眼光看宇宙。

所以天空不蓝，至少不总是蓝。这也是一片在黑暗中发光的夜空，混合了绿色、黄色和红色。它的颜色来自散射的阳光、氧气和来自流星的钠。再加上一点物理知识和一些大激光，我们可以制造人造黄色恒星以获得我们宇宙的清晰图像。

Michael JI Brown，天文学副教授，莫纳什大学和 Matthew Kenworthy，天文学副教授，莱顿大学

本文根据知识共享许可从 The Conversation 重新发布。阅读原文。