天空呈现蓝色的原理
天空呈现蓝色是由于光的散射现象。当太阳光照射到地球大气层时，光线会与大气中的气体分子、微小颗粒等发生相互作用。光本质上是一种电磁波，具有不同的波长和频率。而大气中的粒子会对不同波长的光产生不同程度的散射作用。
光的散射：光在传播过程中遇到不均匀介质时，会偏离原来的传播方向，向四面八方传播，这就是光的散射。
波长与散射的关系：短波长的光更容易被散射，而长波长的光相对较不容易被散射。在可见光范围内，蓝光的波长较短，红光的波长较长。所以在太阳光穿过大气层时，蓝光更容易被散射到各个方向，使得我们从地面上看天空时，主要接收到被散射的蓝光，从而天空呈现出蓝色。
太阳光与大气的作用导致天空蓝色的原因
太阳光包含了各种波长的光，形成了我们所看到的白光。当这束光进入大气层时，大气中的气体分子，如氮气、氧气等，会对太阳光进行散射。由于蓝光的波长较短，其能量较高，更容易与大气分子发生相互作用而被散射。
在白天，太阳高悬于天空，阳光直射穿过大气层的路径相对较短。尽管蓝光更容易被散射，但仍有大量的其他波长的光能够直接到达地面，所以我们看到的阳光仍然接近白色。然而，从侧面观察天空时，我们看到的主要是被散射的蓝光，因此天空呈现蓝色。
而在日出和日落时分，太阳位置较低，阳光斜射穿过大气层的路径变长。在这个过程中，更多的蓝光和紫光被散射掉，只有波长较长的红光、橙光能够穿透厚厚的大气层到达我们的眼睛，所以此时太阳和周围的天空呈现出红色或橙色。
瑞利散射对天空颜色的影响
瑞利散射是解释天空呈现蓝色的关键理论。当光线通过大气时，光波会被气体分子或者其他微小粒子散射。瑞利散射具有以下特点：
散射光强与入射光波长的四次方成反比，这意味着波长越短的光散射越强烈。
散射光强按空间方向成哑铃形角分布。
自然光入射时，各方向的散射光一般为部分偏振光，垂直入射光方向的散射光是线偏振光，沿入射光或其逆方向的散射光是自然光。
在纯净的大气层中，大气分子满足瑞利散射条件，使得波长较短的蓝紫光易发生散射，从而让天空呈现出蔚蓝色。但需要注意的是，人眼对 550nm 附近的波长最敏感，所以天空看起来是蓝色而不是蓝紫色甚至紫色，这需要综合考虑瑞利散射和人眼的生理特性。
不同天气下天空颜色变化的原因
在不同的天气条件下，天空的颜色会有所变化。
在晴朗的天气中，大气比较纯净，大气分子是极细小的质点，有利于短波光线的散射，所以天空呈现蔚蓝色。
当天空中有云彩时，云中的水滴是较大的质点，可以引起各种色光的散射，相互混合的结果，天空看上去就如片片白絮。
在大雨来临之前，云中的水滴又大又密，透明度很低，散射出来的光线很少，因此这时候天空看上去就是灰蒙蒙或黑沉沉的。
另外，大气的洁净度也会影响天空的颜色。在污染较少的环境中，天空更能呈现出怡人的蔚蓝，而在污染较为严重的工业区，即使是晴天，天空也可能是灰蒙蒙的。
天蓝色与其他颜色形成的科学解释
天空呈现蓝色并非是唯一的情况，在不同的条件下，天空会呈现出不同的颜色。
例如，在日出和日落时分，由于光线斜射穿过大气层的路径变长，更多的短波长光被散射掉，只有长波长的红光、橙光能够到达我们的眼睛，所以天空会呈现出红色或橙色。
而在雾霾天气中，大气中布满了细颗粒物、尘埃等，这些颗粒的尺寸大于或等于光的波长，不管是短波光还是长波光，都会发生散射，这种散射称为米氏散射，其散射强度与波长无关，所以天空会呈现灰白色。
此外，对于海洋呈现蓝色，主要是由于海水对阳光的吸收、反射和散射造成的。海水越纯净、海越深，海水就会越蓝。在杂质较少的清澈海水中，蓝光、紫光会更多地被散射和折射，人们眼睛对紫光不敏感，更容易注意到蓝光，因此海水呈现蓝色。