为什么既有白云，又有乌云

为什么是白云和乌云？为什么天空是蓝色的，太阳是红色的

散射包括瑞利散射、廷德尔散射和拉曼散射。

“蓝天”和“红日”问题属于瑞利范畴

散射类，散射中心是一种气体分子，其大小比光波的波长小三个数量级。

“白云”和“乌云”问题属于廷德尔散射范畴。散射中心是一个透明的液滴，其大小大多在微米和亚毫米之间，即接近光波的波长，或比后者大1-2个数量级。

太阳的真正颜色既不是红色也不是绿色，而是白色。维恩定律揭示了黑体辐射光谱中最强单色分量和温度之间的对应关系，而不是说多色光引起的颜色感知是由最强单色分量决定的。

“白色”是多色光的综合效果，是一种视觉效果。视觉上多色光的“颜色”属于主观感觉，它与纯客观单色光的“颜色”没有必然的联系。彩色电视屏幕可以显示黄色、橙色、紫色和其他“视觉单色”颜色，但这些颜色实际上根本不包含黄色、橙色和紫色的单色成分。它们是具有单色视觉效果的“三色光”，由红、蓝、绿单色成分按适当比例组成。

红、蓝、绿三原色

瑞利定律(散射光强度与波长的四次方成反比)是分子散射特有的。利用瑞利定律，不难证明白光散射时，散射光中蓝光(约0.45μm)的强度是红光(约0.65μm)的4 ~ 6倍。

白天，除了早晨和黄昏，人们视野中的大气基本上被白光照亮。晴天的天空光线是空气分子的散射光，其中蓝色、靛蓝色和紫色成分约占80%。阳光中靛蓝和紫色的比例不大，所以天空是蓝色的。

从早上8点到下午4点，太阳直射光的散射部分可以忽略不计。如果任何一个傻瓜愿意用肉眼直接看太阳，那么他看到的一定是一个白色的圆盘，而不是一个“红色的太阳”。然而，在日出和日落时，人们看到的太阳实际上是红色的，因为此时的直射光必须以几乎与地面相切的方向穿过稠密的大气层很长一段距离。直射光中的每一种单色成分都呈指数衰减，短波成分很快消失，最终红光自然占据主导地位。

虽然日出和日落时的直射光是红色的，但日落时的白墙不是红色的，而是橙色的。这是因为墙壁不仅接收红色直射光，还接收来自天空的散射光。此时，大气和云不会散射白光，而是直接的光，主要是黄色的橙色，被稠密的大气过滤。虽然散射光源的亮度远低于直接光源，但它的面积比直接光源大得多。

白云和乌云是由小水滴组成的。瑞利定律不适用于小水滴，因为该定律是基于气体分子的二次发射，小水滴是无色透明的球形透镜，比纳米粒子大。它所谓的“散射光”实际上是经过多次折射后的反射光和透射光。

白云和乌云在“含水量”方面会有一些不同，但“含水量”的提法有点模糊，用词不达意。它可以理解为整个云的含水量或单个水滴的含水量。这两种理解都有一定的基础。乌云可以覆盖整个天空，但是白云不能。由此可见，就总体趋势而言，乌云的含水量一般高于白云。然而，天空中的云可以是白云也可以是乌云。大云也有“白”和“黑”两种可能性。夏天的巨大云可以在瞬间变成翻滚的云，这不能用含水量来解释。如果“含水量”指的是“一滴水的含水量”，那么它是准确的。

从云的形成过程来看，如果乌云不是来自别处，那一定是来自白云。白云是不同的。除了从其他地方漂浮或从乌云中变化，它们还可以在一个清晰的背景上突然“创造”。蓝天背景可以在几分钟内从蓝色变成粉蓝色，然后变成边缘模糊的淡淡白云，甚至变成边缘清晰的白云，但是乌云不会突然从蓝天背景中出现。白云通常在下雨前变成乌云，而乌云通常在下雨后变成白云。对这种现象的解释是:夏天，地表水在烈日下迅速蒸发，使空气湿度越来越高；高空的温度低于地面温度，因此水蒸气首先在高空达到饱和和过饱和。高空总会有一些灰尘，这些灰尘会成为凝结中心，使饱和蒸汽和过饱和蒸汽凝结成细小的水滴。当水滴密度足够大时，它们就会变成可见的白云。随着雾滴越来越大，白云变成了乌云。乌云中的水滴继续变大，变成雨滴。雨后，空气的湿度变小，水蒸气回到不饱和状态，乌云中的小水滴开始蒸发，体积变得越来越小，从而把乌云变成了白云。白云中的雾滴继续不断地蒸发。一旦它们全部蒸发，白云就会消失，重新出现在天空中。

为什么白云是“白色”的？为什么乌云是黑色的？最能说明问题的例子是，一团云在夏天瞬间变成了一团云。在这个突变中，水的总量基本不变，阳光的投射角度基本不变。显著的变化是“从白色到黑色”。这种事情总是在雷暴来临的时候发生，这表明“从白到黑”是水滴“从小到大”的结果。乌云不是没有亮度的“乌云”，而是有亮度的，它们的散射光实际上是白光，与白云的散射光在光谱上没有区别，因为大水滴和小水滴是无色透明的可见光球面透镜，散射光的颜色由入射光的颜色决定。一旦这一点弄清楚了，我们就可以用“亮度”来定量比较白云和乌云。

为什么白云是“白色”的？为什么乌云是黑色的？

对于单个水滴，特定方向的散射光通量与入射光通量之比应该是常数，而与水滴的大小无关。但是对于整个云团来说，散射光的总通量与入射光的总通量之比不是恒定的。单个水滴的散射截面与线性的平方成正比，体积和质量与线性的立方成正比。这意味着在云团的总质量和体积不变的情况下，如果水滴半径加倍，单个水滴的散射截面应该扩大到原来的4倍，而水滴总数减少到原来的1/8，这意味着总散射截面是原来的一半。由此可见，如果云团中的水滴属于微米级，而暗云团中的水滴属于亚毫米级(即100微米)，那么白云的亮度应该是暗云的100倍。