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太阳发出的白光看似单一，实际上是由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫等各种颜色的光组成的复合光。通过三棱镜可以将白光分解成彩虹光谱，每种颜色对应不同的波长。光具有波粒二象性，属于电磁波谱的可见光部分。红光波长最长约700纳米，紫光波长最短约400纳米。这种波长差异是理解天空颜色形成的关键基础。
不同颜色的光具有不同的波长特性。红光波长约700纳米，是可见光中波长最长的；蓝光波长约450纳米，波长相对较短。根据普朗克公式，光的能量与频率成正比，与波长成反比。这意味着波长越短的光，能量越高。蓝光比红光波长短，因此蓝光的能量更高。这种波长差异直接影响光与物质的相互作用强度，是理解大气散射现象的物理基础。
瑞利散射是光与小粒子相互作用的重要物理现象。当光遇到尺寸远小于光波长的粒子时，就会发生瑞利散射。空气分子的直径约0.1纳米，远小于可见光的波长，完全满足瑞利散射的条件。瑞利散射的核心规律是散射强度与波长的四次方成反比。这意味着波长越短的光，散射越强烈。通过计算可以发现，蓝光的散射强度约为红光的9.4倍，这就解释了为什么蓝光在大气中更容易被散射到各个方向。
当阳光进入地球大气层后，会与空气分子发生复杂的散射过程。大气层从下到上分为对流层、平流层、中间层和热层，每一层都对光线产生散射作用。由于瑞利散射定律，蓝光的散射强度远大于红光。蓝光在大气中被强烈散射，向各个方向传播，这就是我们从地面各个角度都能看到蓝光的原因。而红光由于散射较弱，更多地保持直线传播。光程越长，经过的大气分子越多，散射效应越明显。这种差异化的散射过程是天空呈现蓝色的直接原因。
现在我们可以完整地解释天空为什么是蓝色的了。太阳发出包含各种颜色的白光，当这些光线进入地球大气层时，遇到空气分子发生瑞利散射。由于散射强度与波长的四次方成反比，蓝光的散射强度远大于红光。被散射的蓝光向各个方向传播，无论我们从哪个角度观察天空，都能接收到这些散射的蓝光，因此天空呈现蓝色。同时，由于蓝光被大气散射掉了，直接来自太阳的光线中蓝光成分减少，剩余光谱偏向红黄色，这就是为什么太阳看起来是黄色的原因。