天空為什麼是藍色的？

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最後更新：2026年11月2日 · 閱讀時間約15分鐘

天上最尋常的奇蹟背後的物理——以及45億年來，地球的天空如何變換顏色

一個老問題，兩種答案

「天空為什麼是藍的」，在物理學裡有個簡短的答案，在地球歷史裡則有個長得多的答案。今天的天空只是這顆行星歷來幾種天空中最新的一種；其中有幾段時期，早期地球的上空籠罩著一層類似土衛六（Titan）的橘色霧靄。

在太古宙晚期，也就是超過25億年前，微生物釋放的甲烷養出了一層有機霧靄，把天空染成橘色。氧氣的興起，終結了這幾段霧靄時期。

那些氧氣來自另一群微生物。它們並沒有打算改變大氣，只是想吃下陽光。至於這一切為什麼會改變天空的顏色，則是一個關於空氣如何對待光的問題。

雷利散射：背後的機制

陽光不是單一的顏色，而是所有可見波長的混合：從紫光（約380奈米）經過藍、綠、黃、橙，一直到紅光（約700奈米），兩端之外還有人眼看不見的波長。這些光進入地球大氣後，會遇上構成約99%空氣的氮分子和氧分子。這些分子非常小，直徑約0.3至0.4奈米，只有可見光中最短波長的約千分之一。

電磁波遇上比自身波長小得多的粒子時，波的振盪電場會讓粒子內部的電荷以相同頻率振動。粒子於是成為一個微小的輻射偶極子，把光朝四面八方重新發射出去。這就是雷利散射，得名自英國物理學家雷利勳爵（Lord Rayleigh），本名約翰·威廉·斯特拉特（John William Strutt）。他從1871年開始推導出其中的數學，後來又證實了這種散射的分子基礎。

關鍵在於散射與波長的關係：雷利散射的強度與波長的四次方成反比，因此波長上不大的差異，會變成散射上的巨大差異。紅光的波長約為藍光的1.5倍，散射效率卻只有藍光的約1/5至1/6；400奈米的深紫光，散射強度約為700奈米紅光的10倍。藍光被拋向側面、灑滿整片天空，紅光和橙光則大多直直穿過大氣，進入你的眼睛。

這就是天空看起來是藍色的原因：你看到的是散射光，不是直射的陽光。只要不是朝著太陽的方向，你看到的都是光譜中藍色的那一端，是你頭頂整道大氣柱裡數十億個空氣分子向側面重新輻射出來的光。

專家解說——為什麼不是紫色？太陽與眼睛

紫光（波長約380至420奈米）的波長更短，雷利散射的效率甚至比藍光還高。那麼，天空為什麼看起來是藍色而不是紫色？一部分答案在太陽：太陽發出的紫光比藍光少，它的發射光譜峰值落在藍綠波段，所以一開始進入大氣的藍光就比較多。相較之下，大氣並沒有明顯地選擇性移除紫光：臭氧只在紫外線波段有強烈吸收，而它在可見光波段弱得多的吸收（Chappuis吸收帶）優先移除的是波長較長的橙紅光，這也是暮光時分頭頂的天空看起來可能更深藍的原因之一。其餘則要歸因於我們的眼睛，人眼對紫光的敏感度遠低於藍光：短波長視錐細胞對藍光的反應最強，而天光的寬廣光譜也會刺激對綠光和紅光敏感的視錐細胞，因此大腦把這種混合讀成略微泛白的藍，而不是紫色。

夕陽與繞遠路的光

夕陽是同一套物理，只是換到一個極端的角度來看。太陽接近地平線時，陽光必須穿過厚得多的大氣柱才能抵達你的眼睛，路徑長度會增加到正午時的數十倍。等光線抵達時，幾乎所有藍光都已在沿途被散射掉，剩下紅、橙、黃光主導。太陽變紅了，低處的天空也跟著變紅。

大型火山爆發會把硫酸鹽氣膠粒子送進平流層，讓夕陽在之後數月甚至數年間變得格外濃烈。這些粒子比空氣分子大得多，散射光的方式是米氏散射，而不是雷利散射。米氏散射對波長的選擇性較低，但會加強短波長的消光，造就非比尋常的紅色。1815年印尼坦博拉火山（Mount Tambora）的爆發，被認為可以解釋透納（J. M. W. Turner）在之後幾年的畫作中記錄下的鮮紅天空。

專家解說——雷利散射與米氏散射：粒子大小決定一切

雷利散射和米氏散射的區別，決定了整個太陽系的天空顏色。粒子遠小於光的波長（約1/10或更小）時，適用雷利散射：散射強度與λ⁻⁴成正比，天空的顏色因此強烈取決於波長、偏向藍色。粒子大小接近光的波長時，適用米氏散射，例如塵粒、霧滴、火山氣膠，以及火星大氣中的氧化鐵粒子。米氏散射對波長的選擇性通常低得多：它把各種可見波長散射得比較平均，天空的顏色取決於粒子的大小、形狀和吸收特性，而不只取決於散射物理本身。火山的硫酸鹽氣膠、火星的氧化鐵塵埃，以及土衛六的托林霧靄（由微小顆粒聚成的碎形團塊，散射需要另行處理），都屬於米氏或近米氏的範疇。地球的藍天，正是大氣以雷利散射為主的結果：這樣的大氣中已沒有大型氣膠，主要由小型氣體分子組成。

天空的色彩史：45億年

天空並非一直都是今天的模樣。它與今日差異最大的一段是在太古宙晚期，當時一層類似土衛六的有機霧靄時有時無。本文所附的資訊圖表描繪了其中一種可能的歷史。圖中各時代的顏色是藝術家的重建，依據的是我們對大氣成分和散射物理的了解，而不是直接觀測。

冥古宙（45億至40億年前）：先是岩漿，然後是水

地球約在45.4億年前形成時，還沒有任何稱得上天空的東西：地表起初是一片岩漿海，不斷遭受早期太陽系碎片的轟擊。不過大約1.5億年內，地殼就已冷卻到足以讓液態水存在；44億年前的鋯石晶體記錄了這一點。隨著行星冷卻、火山除氣逐漸累積出大氣，這層大氣以水蒸氣和二氧化碳為主，另有氮，以及二氧化硫等火山氣體，幾乎沒有游離氧。直到大氧化事件之前，氧氣始終不到今天水準的約0.001%。

那片天空沒有留下任何直接證據；最好的推測是，在濃厚、蒸氣瀰漫的大氣下，天空呈乳白的淡黃色。火山噴出的二氧化硫會被陽光轉化為硫酸鹽氣膠液滴，和今天金星雲層背後的化學作用相同。這些粒子比氣體分子大得多，屬於米氏散射的範疇；在火山活動劇烈的時期，它們會讓天空變白、變暗，蒸氣和火山灰則讓天色更加混濁。

始太古代與古太古代（40億至32億年前）：水世界上空的藍天

這個時代的大氣以氮和二氧化碳為主，游離氧很少，甚至沒有。以氮和二氧化碳為主的天空，散射陽光的方式和我們的天空大致相同（CO₂分子的散射甚至比N₂更強），所以只要空氣中沒有濃厚的霧靄，這個年輕水世界上空的天空很可能是藍色的，完全不需要氧氣。

中太古代與新太古代（32億至25億年前）：橘色時期——生命造就的霧靄

在地質紀錄中，生命最晚在35億年前就已出現。最早的生物是厭氧生物。產生甲烷的微生物（產甲烷菌）最晚在34.6億年前就已活躍，把甲烷當作代謝副產物釋放出來。隨著這些生物擴散，大氣中的甲烷累積到估計百萬分之100至1,000。當甲烷濃度達到二氧化碳的約十分之一時，太陽的紫外線就會把甲烷分解成活性很高的碎片，這些碎片再聚合成複雜的有機氣膠粒子，通常稱為托林（tholin）：今天讓土星的衛星土衛六呈現那種顏色的紅褐色霧靄，正是同一類物質。地球化學紀錄顯示，這層霧靄時開時關，而不是持續籠罩。紀錄最完整的霧靄期落在約27億至25億年前；硫同位素紀錄暗示約29億年前還有更早的一段，有些模型則把霧靄時代往前推到約32億年前。

這種有機霧靄能有效吸收波長短於約500奈米的光，剝除天空中大部分的藍光和紫光，主要留下波長較長、色調較暖的光。每一段霧靄期，天空都變成橘色。在這些時期之間，天空又恢復藍色；而在約27億年前，那片藍可能比我們的更深、更暗：在海平面噴發、距今27億年的熔岩流凝固時封存的氣泡顯示，當時的氣壓不到今天的一半，而較稀薄的空氣散射的光較少，頭頂的天空因此更暗、更飽和。土衛六富含托林的氮—甲烷大氣，是那幾段霧靄期的太古宙晚期天空最接近的現存類比。結合氣候、大氣化學和霧靄粒子物理的電腦模型顯示，這類碳氫化合物霧靄會讓地表降溫約攝氏20度，但仍容許地表存在液態水，即使在較暗淡的年輕太陽之下也是如此；太古宙晚期的太陽亮度約只有現在的80%。

專家解說——黯淡年輕太陽悖論與甲烷溫室

40億年前，太陽的亮度約只有今天的70%至75%，這是恆星演化中已經確立的結果。若只按單純的輻射平衡計算，早期地球應該遠低於冰點。然而地質證據明確顯示，整個太古宙都有地表液態水存在。最主要的解釋，是二氧化碳以及產甲烷菌製造的高濃度甲烷所帶來的強大溫室效應。甲烷氣體會增添溫室暖化，而它所餵養的有機霧靄則遮蔽地表，部分抵銷了這種暖化。在霧靄之下，地表液態水依然可能存在。氧氣上升、甲烷隨之流失，是古元古代冰期（包括記錄在加拿大休倫系岩層中的那幾次）的主要嫌犯之一；這些冰期始於約24.5億年前。它們並不是地球的第一次冰河期，因為南非已發現約29億年前的冰川沉積，但它們屬於最嚴酷的幾次之一。

大氧化事件（約24億年前）

大約在24.6億至24.3億年前，地球跨過了地質學家所稱的大氧化事件（GOE）門檻。藍綠菌是最早能進行產氧光合作用的生物，它們分解水分子，並把O₂當作副產物釋放出來。它們釋放的游離氧開始在大氣中累積，起初並不穩定，在約2億年間起伏擺盪，到約22億年前才成為大氣的永久成分。

這對霧靄的影響是決定性的。氧氣與大氣中的甲烷反應，切斷了一再餵養橘色霧靄的化學過程。取而代之的是一片和我們的天空很像的藍天，因為雷利散射只需要氮和二氧化碳分子，不需要氧。氧氣本身在此後很長一段時間依然稀少：在元古宙中期的「無聊的十億年」裡，它只有今天水準的一小部分。

一群從陽光和水中汲取能量的微小單細胞生物，幫忙清除了天空中的霧靄。它們的氧氣也改變了海洋的化學，改變了微生物的棲地，讓對氧敏感的生物處於劣勢，不過大片無氧環境依然存在，厭氧生物至今仍在其中繁盛。長遠來看，日後每一種複雜的多細胞生物都將仰賴氧氣。

古元古代（25億至16億年前）：沒有霧靄的天空

甲烷霧靄消失後，天空應該是藍色的。氧氣雖然存在，含量卻只有今天的一小部分。由於氧氣在空氣的散射中只占次要角色，它的稀少對天空顏色影響不大；總氣壓、濕度和塵埃的差異影響更大。

「無聊的十億年」（18億至8億年前）：穩定的藍

約18億至8億年前這段時期，常被地質學家稱為「無聊的十億年」：一個環境相對穩定、生物創新緩慢、氧氣含量偏低的時代。究竟低到什麼程度仍有爭論，估計值從不到今天水準的0.1%到百分之幾都有。被送到這個時代的人類觀察者，會看到一片熟悉的藍天，卻無法在它底下呼吸。

新元古代晚期與寒武紀（8億至4.87億年前）：逐漸接近現代

新元古代晚期，複雜的多細胞生物出現，氧氣也在這段期間上升，很可能是分階段的。這段時期的雪球地球冰期約在7.2億至6.35億年前，讓地球大部分地區覆蓋在冰層之下。到了約5.39億年前的寒武紀大爆發，氧氣已大幅上升（標準模型的重建認為寒武紀和奧陶紀的氧氣濃度為15%至20%，不過較新的重建顯示上升得更晚），天空看起來已和今天很像。

專家解說——氧氣會改變天空的顏色嗎？

影響小得出奇。雷利散射取決於氣體分子的數量，以及它們的電子雲有多容易變形，這種性質稱為極化率。氧的極化率比氮略低，二氧化碳則比氮高，所以把部分氮換成氧，幾乎不會改變散射。由於單純改變氧與氮的比例只會稍微影響散射，石炭—二疊紀的氧氣高峰（標準模型的重建約為30%）並沒有讓藍色變得更深。如果多出來的氧氣提高了總氣壓，增加的散射會讓天空稍微亮一些，地平線也稍微白一些，但頭頂的天空基本上和今天一樣藍。

石炭紀與二疊紀（3.59億至2.52億年前）：氧氣高峰

石炭紀和二疊紀期間，約3.1億至2.6億年前，氧氣濃度是過去5.4億年來重建數值中最高的之一。隨著大型木本維管束陸生植物演化出來，石炭紀形成煤炭的森林埋藏了大量有機碳，從大氣中抽走CO₂，也提高了大氣中的氧氣。地球化學家Robert Berner提出、廣為使用的模型算出，氧氣在二疊紀達到約30%的高峰，不過較新的模型在細節上有所不同。推動工業革命的煤層，正是那些森林經過壓縮、化石化之後的遺骸。

比今天高出約40%的氧氣濃度，並沒有讓天空變得更藍，卻在地面的生命身上留下了印記。富氧的空氣與這個時期的巨型節肢動物有關：例如巨脈蜻蜓（Meganeura）這類原蜻蜓（蜻蜓的近親），翼展可達約70公分，牠們靠氣管呼吸，而這種呼吸方式在富氧的空氣中效果較好。不過這種關聯仍有爭議：馬陸的巨型近親節胸蜈蚣（Arthropleura）體長可達約2.6公尺，早在氧氣達到高峰之前就已長到巨大的體型。2.52億年前的二疊紀末大滅絕是地球史上最嚴重的一次，消滅了絕大多數的海洋物種，根據一項近期估計約為81%。在Berner的模型中，這次滅絕恰好與大氣氧氣的急遽下降同時發生。

中生代與新生代（2.52億年前至今）：熟悉的藍

二疊紀大滅絕之後，氧氣在三疊紀和侏羅紀的大部分時間裡一直偏低，在Berner的重建中，三疊紀時曾降到約12%；之後在恐龍時代的其餘時間裡大致穩定攀升，一路延續到現在，但再也沒有回到古生代晚期的高峰。這段期間，天空始終是一眼就認得出的藍色；單靠氧氣的起伏，對天空的顏色影響很小。到了6,600萬年前，希克蘇魯伯（Chicxulub）撞擊終結白堊紀之際，氧氣已接近現代的數值；整個新生代，它都維持在接近今天的水準：約78%的氮和21%的氧，其餘大多是氬，外加少量二氧化碳。

其他天空：宇宙裡的種種可能

在我們造訪過、或能憑大氣資料推估的行星與衛星上，天空的顏色五花八門，顯示地球的藍只是眾多結果之一，取決於空氣由什麼組成、其中的粒子有多大，以及恆星發出什麼樣的光。最有啟發性的例子，從火星、土衛六和金星上的直接量測，一直延伸到推測成分較高的系外行星天空。

火星：奶油糖色的白天，藍色的夕陽

火星是最具啟發性的反轉案例。火星大氣約95%是CO₂，但地表氣壓只有地球的約0.6%，氣體分子造成的雷利散射因此微不足道。塑造火星天空的，反而是富含氧化鐵的細微塵埃，質地近似爽身粉，粒子半徑通常約1.5微米。在火星微弱的重力下，風和沙塵暴讓這些塵埃不斷被揚起、搬運、再沉降。這些粒子能有效吸收藍光和綠光，同時較均勻地散射波長較長的光，造就火星探測車一再測得的天空：從帶黃的奶油糖色到帶粉紅的橘色。

到了日落時，幾何關係反轉過來。塵埃粒子的米氏散射具有前向散射的特性，會把被散射的藍光集中在太陽圓盤附近，形成一圈被淡紅色天空包圍的獨特藍色光暈。火星有藍色的夕陽和橘色的白天：和地球恰好相反。機會號、精神號和好奇號探測車都直接拍下了這種反轉。

專家解說——如果火星沒有塵埃

如果把所有塵埃都移除，根據散射物理推算，火星的天空會是深沉的暗藍色，比地球高空的天空還暗，因為稀薄的大氣能散射陽光的分子太少。太陽則會是一個輪廓清晰的明亮圓盤。

土衛六：地球太古宙天空的活檔案

土星的衛星土衛六，是太陽系中與地球太古宙晚期大氣最直接的觀測類比。它的大氣約95%至98%是氮，甲烷在平流層約占1.5%，在近地表處約占5%。這和重建出的大氧化事件前地球大氣組成大致相同，只是土衛六冷得多，接收到的陽光也少得多。在土衛六的高層大氣中，紫外線把甲烷分解，持續產生托林霧靄粒子：和太古宙地球模型中同一類的複雜有機分子。

惠更斯號（Huygens）探測器在2005年穿越土衛六大氣下降時，直接量測到的結果是：天空由多層托林霧靄的米氏散射主導，這些霧靄由碎形聚集粒子構成，從地表一直延伸到數百公里高，在接近500公里處還有一道分離層。天空比地球的午後暗約100至1,000倍，四面八方都是均勻的暗橘色。輻射傳輸模型預測，在可見光波段，土衛六的日落是「平淡無奇的事件」：太陽在離地平線還很高的時候就已淡去，光線只是緩慢暗下，進入漫長而朦朧的暮光。預計約在2034年抵達土衛六的蜻蜓號（Dragonfly）旋翼機任務，將直接研究這種化學作用。

金星：硫酸雲下昏暗的橙黃

金星大氣的地表氣壓約為地球的90倍，幾乎完全由CO₂組成，在45至70公里高處有濃厚的硫酸液滴雲層。抵達金星大氣頂端的陽光，只有約2.6%能到達地表。蘇聯金星號（Venera）系列探測器的著陸器影像顯示，從地表看去，天空是昏暗的橘色到黃褐色。光線先穿過厚厚的雲層，雲層上層含有一種至今仍未辨識出的吸收物質，再穿過下方濃密的二氧化碳大氣，兩者共同濾除了藍光和紫光，讓到達地面的主要是波長較長的光。在這種經過過濾的光線照射下，金星號影像中的地表本身呈現橘紅色的岩石，頭頂是一片永遠溫暖、霧濛濛的天空。從某些方面來看，金星以CO₂為主的空氣、硫的化學作用和硫酸鹽氣膠，為某些可能也曾在極早期地球上運作的過程，提供了一個高溫、高壓版的示範。

系外行星：全套調色盤

在太陽系之外，天空的顏色取決於太多變數，幾乎任何顏色在物理上都說得通。母恆星的發射光譜是主要的驅動因素之一。溫度較低的M型矮星主要發出紅光和紅外線，藍光相對較少，因此繞行這類恆星的行星，即使擁有類似地球的氮氧大氣，天空的顏色也會比我們的更偏向長波長：可供散射的藍色星光比較少。大氣壓力也有影響：非常濃厚的大氣會讓光線散射許多次，天空因此變得更亮、更淡；稀薄的大氣則讓天空保持暗色。

HD 189733b是一顆距離約63光年的熱木星，在反射光中看起來是深藍色，但原因並不是氣體的雷利散射。一般認為，它的藍色來自摻有矽酸鹽粒子（實際上就是微小的玻璃顆粒）的霧濛濛大氣，這些粒子會散射藍光，而鈉則吸收了大部分的紅光。它的日照面溫度遠超過攝氏1,000度，風速超過每小時8,000公里，所以這片藍完全無法說明那裡是否可能有任何生命存在。

專家解說——綠色的天空需要什麼條件？

綠光（約520至560奈米）位於可見光譜的中段：雷利散射的效率比藍光低，但比紅光高。單靠雷利散射，幾乎不可能出現以綠色為主的天空，因為任何優先散射綠光的大氣，對藍光和紫光的散射都會更強，這些較短的波長就會占上風。綠色的天空並非不可能，但需要照明、散射和吸收的特殊組合。在某些大型火山爆發之後，大小恰到好處的平流層硫酸鹽粒子曾造成綠色的暮光，靠的是異常散射、暮光時的漫長光程，再加上臭氧的Chappuis吸收。所謂異常散射，是指在可見光譜的某一段，粒子的散射隨波長增加而增強，和雷利散射正好相反。在陽光下，一般晴朗空氣中的雷利散射無法造就綠色的白天天空。

我們繼承的藍

其他世界有其他的天空。地球清澈的藍，是一連串事件之後留下的結果：產氧光合作用的起源、大氧化事件，以及曾經斷斷續續籠罩這顆年輕行星的甲烷霧靄消失。頭頂的藍是物理，也是一片靠藍綠菌釋放的氧氣才免於甲烷霧靄的天空。

雷利勳爵在1871年算出了其中的物理。藍綠菌早在太古宙就演化出產氧光合作用，遠在那之前就已開始清理天空：它們的氧氣大約從24億年前開始在空氣中累積。

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10顆從晴朗到多雲的熱木星 – NASA

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