为什么天空是蓝色的，云是白色的、灰色的或黑色的？为什么日落是红色的？为什么夜晚是黑色的？彩虹从何而来？这些现象在很大程度上是由于太阳光与地球大气层各组成部分（各种大小的水滴、气体分子、尘埃等）的相互作用、吸收和散射造成的。这些机制造成天空有不同颜色，并产生了诸如布洛肯光谱的壮观景象。。

  在标题照片中可见的地球的大气层（请阅读《地球的大气层和气体层》）赋予天空以色彩，并产生令人惊奇的光现象，如海市蜃楼和彩虹。有些现象我们如此熟悉， 以至于我们常常认为它们是理所当然的。为什么晴天时天空是蓝色的？为什么日 落是红色的？为什么夜晚是黑色的？所有这些问题看起来都很幼稚，但答案并不简单，而且涉及到我们试图阐明的物理现象。为此，让我们回顾一下光的构成，首先回顾一下电磁波的性质及其传播模式。

  光是电磁波的叠加。这样的波包括以相同频率振荡的电场（标记为 E）和磁 场（标记为 B）。这两个场彼此垂直，并在与它们的方向正交的第三个 z 方向上 传播，如图 1 所示。

  电磁波以一定速度传播，通常称为波速，大小取决于所处的环境。真空中该速度为 c=3×108m/s（米/秒）。波长λ是两个连续的场最大值之间的距离。在给定的点上，这些场以周期 T 进行周期振荡，周期 T  以秒为单位。波长是该周期与速度的乘积： λ=cT。它以米（m）或其约数之一表示： 微米（1µm=10-6m）或纳米（1nm=10-9m），单位选择取决于现象的特征尺度。波形的特征还可以用频率 ν 表征，它的周期为 ν=1/T  的倒数，以赫兹（Hz）表示。1Hz 对应于周期 T=1s。

  电磁波谱表示所有电磁波根据其波长或频率的分布，如图 2 所示，这种光谱有相当大的范围，在 γ 射线的最短波长(10- 14m