白云为什么是白色　乌云为什么是黑色

俞卫民  转载

　　白云为什么是白色，乌云为什么是黑色？天空为什么是蓝色，太阳为什么是红色

　　散射有瑞利散射、丁铎尔散射、喇曼散射之分。

　　“蓝天”、“红日”问题属于瑞利散射类，散射中心是气体分子，其尺寸比光波的波长小三个量级。

　　“白云”、“乌云”问题属于丁铎尔散射类，散射中心是透明的液滴，其尺寸多半在微米与亚毫米之间，即与光波的波长相近，或是比后者大1～2个量级

　　太阳的本色既不是红色，又不是绿色，而是白色。维恩定律是揭示黑体辐射谱中最强的单色成分与温度之间的对应关系，而不是说多色光引起的色觉由最强的单色成分决定。

　　“白”是多色光的综合效果，是视觉效果。视觉意义上的多色光的“色”是属于主观的感觉，它与纯客观的单色光的“色”之间没有必然的联系。彩电屏幕能显示黄、橙、紫等种“视觉单色”，但这些色中实际上完全不含黄、橙、紫的单色成分，它们都是由红、蓝、绿三种单色成分按适当的比例配成的具有单色视觉效果的“三色光”。

　　瑞利定律（散射光强度反比于波长的四次方）是专对分子散射而言的。利用瑞利定律不难证明：白光受散射后，散射光中的蓝光（～0.45μm左右）的强度是红光（～0.65μm左右）的4～6倍。

　　白天除了早晨和黄昏时分以外，人们视野内的大气基本上是受到白光的照射。晴天来自天空的光都是空气分子的散射光，其中蓝、靛、紫成分占80%左右。靛、紫两种成分在太阳光中占的比例本来就不大，因而天空呈现蓝色。

　　从上午8时至下午4时，太阳的直射光中遭到散射的部分是微不足道的。如果有哪个傻瓜愿意用肉眼直接看太阳，那么他看到的就一定是白色圆盘，不可能是“红太阳”。但是在日出和日落之时，人们看到的太阳确实是红色的，这是因为此时的直射光线要在几乎与地面相切的方向上长距离地穿过稠密的大气层，直射光中的每一种单色成分都按指数律衰减，短波成分迅速消逝了，最终自然是红光占绝对优势。

　　尽管日出和日落之时的直射光是红色的，但夕阳斜照下的白色墙壁不是呈现红色，而是呈现橙黄色。这是因为，墙壁不仅接受到红色的直射光，还接受到来自天空的散射光。这时的大气和云朵不是对白光进行散射，而是对已被浓密的大气过滤过的以黄橙为主的直射光进行散射。散射光的光源亮度虽远不及直射光的光源，但其面积远大于直射光的光源。

　　白云和乌云都是由小水滴组成的。瑞利定律对小水滴不适用，因为该定律是以气体分子的二次发射为依据的，而小水滴是比纳米粒子还要大的无色透明的球透镜。它的所谓“散射光”实际上是反射光以及经过几次折射后的透射光。

　　白云和乌云在“含水量”方面会有些差别，但“含水量”的提法是有点含糊的，词不达意。它可以被理解为整个云朵的含水量，也可以被理解为单个水滴的含水量。这两种理解都有一定根据。乌云能布满整个天空，白云却做不到。由此可见，就总趋势来说，乌云的含水量一般大于白云。但是，天空里的一丝云既可以是白云又可以是乌云，大片的云也有“白”、“乌”两种可能性，夏日巨大的白云团能在一瞬间变成翻滚的乌云团，这就不能用含水量来解释了。如果“含水量”是指“单个水滴的含水量”，那就准确了。

　　从云的形成过程来看，乌云如果不是从别处飘来的，那就必定是由白云变来的。白云则不同，它除了可以从别处飘来或是由乌云变来以外，还可以在万里晴空的背景上突然“创生”。我在研究太阳能问题期间曾非常留意天空中云情的变化，多次看到，蓝天背景能在我目不转睛的几分钟里由蓝色变成粉蓝色，再变成边缘模糊的淡淡的白云片以至变成有清晰边缘的白云朵。从未见过乌云能从蓝天背景上突然冒出来。我还注意到：白云变成乌云多半是在雨前，乌云变成白云多半是在雨后。对此类现象的解释是：夏日地表水在烈日下迅速蒸发，使空气湿度越来越大；高空的温度低于地表温度，因而水蒸气首先在高空到达饱和状态和过饱和状态；高空总会有一些灰尘，成为凝聚中心，使饱和蒸汽和过饱和蒸汽凝成细小的雾滴；雾滴足够密集时，就成为肉眼可见的白云；雾滴越来越大，白云就变成为乌云；乌云中的水滴继续变大，就变成雨滴；雨后空气的湿度变小，水蒸气重新回到不饱和的状态，乌云中的小水滴开始蒸发，体积越来越小，这样就使乌云变成白云；白云中的雾滴继续不断地蒸发，一旦全部汽化，白云就消失了，重新露出青天。

　　白云为何“白”？乌云为何“乌”？夏日白云团在一瞬间变成乌云团的例子最能说明问题。在这种突变中，总水量基本上未变，太阳光的投射角也基本上未变，显眼的变化是“由白变乌”。这种事情总是发生在雷雨即将到来之时，这就表明“由白变乌”是水滴“由小变大”的结果。乌云并不是无亮度的“黑云”，而是有亮度的，并且其散射光实际上也还是白光，与白云的散射光在光谱方面没有差别，这是因为大水滴和小水滴对于可见光来说都是无色透明球透镜，散射光的颜色由入射光的颜色决定。一旦明确了这一点，我们就能利用“亮度”来对白云和乌云作定量的比较。

　　就单个水滴来说，散射光在特定方向上的通量与入射光的通量之比应当是一个常数，与水滴的大小无关。但就整个云团来说，散射光的总通量与入射光的总通量之比就不是常数了。单个水滴的散射截面正比于线度的平方，体积和质量正比于线度的立方。这就意味着：在云团总质量和总体积不变的情况下，如果水滴的半径增大一倍，那么单个水滴的散射截面就应当扩大为原来的 4倍，而水滴总数则缩小为原来的 1/8，意味着总散射截面是原先的一半。由此可见，如果白云团中的水滴是属于微米级，乌云云团中的水滴是属于亚毫米级（即100微米）,那么白云的亮度就应当是乌云的100倍。