美國國家航空航天局戈達德空間研究所和哥倫比亞大學的安東尼·D·德爾·熱尼奧解釋道。
為了理解為什麼天空是藍色的，我們需要考慮陽光的本質以及它如何與構成我們大氣層的氣體分子相互作用。陽光，在人眼看來是白色的，實際上是彩虹所有顏色的混合。在許多情況下，陽光可以被認為是電磁波，當陽光穿過大氣層時，它會引起空氣分子內部的帶電粒子（電子和質子）上下振盪。當這種情況發生時，振盪的電荷會產生與入射陽光頻率相同的電磁輻射，但會向所有不同的方向傳播。空氣分子對入射陽光的這種重新定向稱為散射。
可見光譜中的藍色成分比紅色成分具有更短的波長和更高的頻率。因此，當所有顏色的陽光穿過空氣時，藍色部分比紅色部分引起帶電粒子更快地振盪。振盪越快，產生的散射光就越多，因此藍色比紅色散射得更強。對於像空氣分子這樣遠小於可見光波長的粒子來說，這種差異是顯著的。帶電粒子的加速度與頻率的平方成正比，散射光的強度與這種加速度的平方成正比。因此，散射光強度與頻率的四次方成正比。結果是，藍光散射到其他方向的效率幾乎是紅光的 10 倍。
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道： 訂閱。透過購買訂閱，您將幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
當我們看向遠離太陽的天空中任意一點時，我們只看到被大氣層重定向到我們視線中的光。由於這種情況對於藍光比紅光發生得更頻繁，因此天空看起來是藍色的。實際上，紫光的散射甚至比藍光更強一些。然而，進入大氣層的陽光中藍色比紫色更多，而且我們的眼睛對藍光比對紫光更敏感，因此天空看起來是藍色的。
當我們觀看地平線上的夕陽時，情況恰恰相反。我們只看到沒有散射到其他方向的光。穿過大氣層而沒有被大量散射的陽光的紅色波長到達我們的眼睛，而強烈散射的藍光則不會。當太陽在地平線上時，陽光穿過大氣層的更長距離放大了這種效果——與太陽在頭頂時相比，藍光有更多的散射機會。因此，夕陽看起來是紅色的。在受汙染的天空中，硫酸鹽、有機碳或礦物粉塵的小氣溶膠顆粒進一步放大了藍光的散射，使得汙染條件下的日落有時非常壯觀。
另一方面，雲是由遠大於可見光波長的水滴組成的。它們散射陽光的方式取決於光線如何被雲滴折射和內反射，以及繞射。對於這些粒子，藍光和紅光的散射差異遠不及氣體分子那麼大。因此，我們的眼睛接收到所有可見波長的顯著散射光，使得雲看起來比藍色更白，尤其是當在藍色天空背景下觀看時。
由於大氣散射導致天空呈藍色，因此沒有大氣層的行星不可能有明亮的天空。例如，阿波羅號宇航員在月球上拍攝的照片顯示，他們和月球表面沐浴在陽光下，但在遠離太陽的所有方向上都是完全黑暗的天空。