为什么地球的影子是蓝色的?

Question

每次日落之后，一旦太阳走了，我总是很享受看到的金星带从另一边升起，接着是地球的阴影．

这是我拍的一张照片(你可以在网上找到更好的)。上面的粉紫色带是金星带，下面的蓝色带是地球的影子。

这个数字来自天空和望远镜解释得很好:

在思考这些美丽的事物时，我很难理解为什么我们会看到我们所看到的颜色。在我看来，金星的带是紫色的，这对我来说没有意义，因为波长很短的紫光在回到金星之前就应该被散射了。当我意识到如果你把蓝光和红光混合起来，就会得到紫色时，这一切都说得通了。所以这种颜色来自于蓝色和红色光的混合，红色光被高空大气背散射，仍然被太阳照亮。

然而，我还是想不出来为什么地球的影子看起来是蓝色的，我还没有找到答案(这里有一些关于地球阴影的链接，但没有对颜色的解释:1，2，3.)。

我们知道天是蓝的，日落是红的蓝光优先散射坐飞机。但是:如果地球阴影中的空气没有得到任何直接的照明，那么它怎么能散射蓝光呢?而任何间接的照明回到那里都应该是蓝色的(即大部分是红光)。

我认为金星带散射红色而不是蓝色的事实，正是因为在那里没有更多的蓝光，所以更弱的红光散射变得明显(如果我错了，请告诉我)。

还是空气实际上在以某种方式发射蓝光荧光/发光吗?

PS:因为这是一个纯粹的大气现象，我认为它会比在天文学SE更适合这里。

Answer 1

在我看来，金星的带是紫色的，这对我来说没有意义，因为波长很短的紫光在回到金星之前就应该被散射了。当我意识到如果你把蓝光和红光混合起来，就会得到紫色时，这一切都说得通了。

你说对了。紫色不是紫色。紫色是光谱可见部分高频端的光谱颜色，而紫色是光谱上的非光谱颜色紫色线条从近紫外到近红外。我们把颜色看作一个轮子，而不是一条线。一种可能的解释是，长波长(“红色”)锥细胞在光谱的紫色端有二次响应。光谱紫光既能刺激短波长锥细胞，也能刺激非光谱混合的红光和蓝光。

这就是你在金星带看到的——红色和蓝色的柔和混合，或紫色(或品红，或玫瑰红)。

所以这种颜色来自于蓝色和红色光的混合，红色光被高空大气背散射，仍然被太阳照亮。然而，我仍然不明白为什么地球的影子看起来是蓝色的。

背向散射的红光并非来自高层大气。它来自对流层。高层大气(平流层及以上)含有很少的微粒。上层大气是太阳落山后，在东方地平线上唯一被阳光照射的部分。照射到上层大气的阳光是瑞利散射的，所以你能看到非常微弱的蓝色散射光。在东方地平线上，你看不到从含有颗粒物的低层大气中反向散射的红色光，因为那部分大气完全处于地球在东方地平线上的阴影中。

Answer 2

如果地球阴影中的空气没有得到任何直接的照明，那么它怎么能散射蓝光呢?而任何间接的照明回到那里都应该是蓝色的(即大部分是红光)。

你完全正确。如果你只模拟光散射，你会得到这样的结果:一个沙色的天空，金星的带有点红，地球的灰色阴影:

但是我们的平流层含有少量的臭氧，它吸收光谱的橙色区域，这被称为Chappuis乐队：

在白天，太阳光以一个小角度传播到大气中，穿过少量的臭氧，因此天空的颜色不受影响(另见化学中的问题)。SE:臭氧究竟是什么颜色?)。但在黄昏时分，阳光水平穿过一层大气，因此查普伊斯吸收非常突出。

与上面相同的模拟，但包括臭氧(并有更高的曝光度)，将看起来像这样:

为什么阴影比天空的其他部分更蓝(更少橙)?这是因为在阴影中，没有来自单一散射的光:来自太阳的光线必须至少散射两次才能到达地球上的观察者。这就产生了瑞利散射倍增器美元\ propto \λ^ {4}$应用两次，这样就增加了相对于红色部分的内散射光的蓝色部分。OTOH，其他大气部分不在阴影中，意味着它们确实有一次散射光的贡献，这只有这个乘数的一次幂。