获1904年诺贝尔物理学奖的英国物理学家瑞利经过研究提出，比光波波长还要小的气体分子会引起“瑞利散射”，即当散射粒子的直径小于光波长时，光的散射强度将与波长的4次方成反比。不同波长的光被散射的比例不同。组成太阳光的红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫7种不同颜色的光中，红光波长最长，紫光波长最短。

当太阳光进入大气层后，大气中的气体分子对波长较短的紫光和蓝光的散射比其他颜色的光要强烈很多倍。

因此被散射而弥散在空中的主要是紫光和蓝光的成分，但是气体分子对紫光的吸收比较强，另外，人眼对蓝光比紫光更敏感，因此晴天的天空呈现蔚蓝色。可以想象，如果没有大气层和其他微粒，即使是在白天，太阳看上去也只是一个孤零零的明亮圆球，悬挂在漆黑一片的天空中（这也正是航天员在太空中看到的景象）。

天空中的云朵则是由小水滴和飘浮粉尘组成，它们的直径要比太阳光中的任何一种颜色的可见光的波长都要大，瑞利散射原理不再适用。

太阳光经过云层时，一部分被反射到空中；一部分直接穿透水滴等之间的缝隙，射向地面；还有一部分光发生米氏散射。所谓米氏散射，是指当光遇到比其波长大的微粒时所发生的一种散射，几乎不依赖于光的波长，也不改变原有光的成分，而且米氏散射的光的绝大部分仍然沿着原来的方向传播。上述三种情况都对太阳光的成分没有影响，所以看上去云朵是白色的。但是当云层越来越厚时，小水滴越来越多，几乎连成一片，太阳光和米氏散射的光不能或者很少能穿透云层，这时白云就变成乌云了。当太阳刚刚升起或者将要落山时，太阳光穿透厚厚的大气层到达观察者所经过的路程要比中午时长得多，更多的光被散射和反射。

在到达人眼所观察的地方，波长较短的光—蓝色和紫色的光几乎已经散射殆尽，只剩下橙色和红色的光，随着太阳慢慢落下，天空看起来也从橙色变成红色。

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