了解地球的色彩奧妙，為何天空、海水是藍的？
近年霧霾污染加上台灣氣候潮濕多雲，導致天空時常不見藍天，一出現藍天往往讓人心情愉悅，不想上班。但凝視藍天時，可能很少人想過為何天空是藍的？原來是因為瑞利散射。
白光是由不同波長組成，人眼含有能夠檢測波長在 380~700 奈米間的電磁輻射細胞，在這個波段內，不同波長對應我們在彩虹上看到的不同顏色。當來自太陽的白光到達地球時，會撞擊組成大氣的氣體分子，這些分子主要是氮和氧，比可見光譜中的光波長小，因此會散射光線。
17 世紀牛頓的棱鏡實驗發現 7 種不同顏色的光譜，紅、橙、黃、綠、藍、靛藍和紫色，紫光光線會以更短、更緊密的波傳播。短波受大氣分子影響的程度，大於紅色較長、較低頻率的波，叫做瑞利散射，這個現像是以 19 世紀發現的英國物理學家瑞利爵士來命名。
天空呈藍色，因為較短波長比大波長被大氣分子散射的程度更高，所以當看著天空，到達人類眼睛的散射光主要是藍色。但古時候也有人認為是青色、如紫羅蘭混合綠色等其他顏色的酒黑色，但基本上就是指波長較短的藍光。
至於海水為何是藍的，因為水分子較能吸收波長較長的光線，即紅色、橙色、黃色和綠色，留下波長較短的藍色，由於藍光不太可能被吸收，它可以穿透到更深的深度，使深水看起來更藍。因此純淨的水是無色的，但如果水夠深，光線無法反射離開海底，則會呈現深藍色。
短波長的光也更容易在不同方向散射或偏轉，包括從水面轉向人類的眼睛，使海面呈現藍色。但是，海水純度各不相同，懸浮在其中的顆粒會增加光的散射，從河流攜帶進入海洋的沙子和淤泥，或被海浪和風浪從海底踢起，都會影響沿岸水域的顏色。而有機碎屑如腐爛的植物物質也可能增加綠色、黃色或褐色，使海水顏色多變。
研究海水顏色是基於物理學，但科學家更看重生物學，因為對海洋顏色影響最大的是微生物，即浮游植物。這些單細胞藻類通常比針頭小，使用綠色的葉綠素色素來捕捉太陽能，將水和二氧化碳轉化為構成其身體的有機化合物，透過這種光合作用，人類需要的氧氣大約一半從這邊產生。
浮游植物可以迅速繁殖，以應對環境變化，如溫度變化和營養水準突然變化，浮游植物的數量可在一天內成長一倍。浮游植物吸收可見光譜的紅色和藍色部分電磁輻射，但反射綠色，因此海洋有時候會看起來綠綠的。浮游植物種群和分佈變化，及成長或減少的速度，可為科學家提供有關環境變化的早期預警。
1997 年 NASA 科學家發射一顆安裝感測器儀器的衛星來測量水中可見光強度，從海洋的顏色變化來了解浮游植物的分布。由於大部分陽光通過空氣微粒散落到海面，剩下的就是吸收或分散在水中，但是約有 10% 是從水中反射到大氣，並有可能朝著衛星的方向反射，因此衛星感測器可收集綠色或藍色光譜中的比例，電腦演算法再使用這個數據估計海中有多少葉綠素，或發現不同類型的浮游生物。
不過，科學家認為，要採集到有意義的數據，至少要 40 年，所以得等到 2038 年才能真正知道海洋的顏色是否發生變化，由此推斷全球暖化是否正在影響浮游植物的數量，繼而對全球碳循環造成影響。
（首圖來源：Flickr/Jennifer C. CC BY 2.0）