白云為何「白」，烏云為何「烏」？科學的解釋來了！

白云為什麼是白色，烏云為什麼是黑色？天空為什麼是藍色，太陽為什麼是紅色？

散射有瑞利散射、丁鐸爾散射、拉曼散射之分。

「藍天」、「紅日」問題屬於瑞利

散射類，散射中心是氣體分子，其尺寸比光波的波長小三個量級。

「白雲」、「烏雲」問題屬於丁鐸爾散射類，散射中心是透明的液滴，其尺寸多半在微米與亞毫米之間，即與光波的波長相近，或是比後者大1～2個量級。

太陽的本色既不是紅色，又不是綠色，而是白色。維恩定律是揭示黑體輻射譜中最強的單色成分與溫度之間的對應關係，而不是說多色光引起的色覺由最強的單色成分決定。

「白」是多色光的綜合效果，是視覺效果。視覺意義上的多色光的「色」是屬於主觀的感覺，它與純客觀的單色光的 「色」之間沒有必然的聯繫。彩電屏幕能顯示黃、橙、紫等種「視覺單色」，但這些色中實際上完全不含黃、橙、紫的單色成分，它們都是由紅、藍、綠三種單色成分按適當的比例配成的具有單色視覺效果的「三色光」。

白云為什麼是白色，烏云為什麼是黑色？天空為什麼是藍色，太陽為什麼是紅色？

瑞利定律（散射光強度反比于波長的四次方）是專對分子散射而言的。利用瑞利定律不難證明：白光受散射後，散射光中的藍光（約0.45μm左右）的強度是紅光（約0.65μm左右）的4～6倍。

白天除了早晨和黃昏時分以外，人們視野內的大氣基本上是受到白光的照射。晴天來自天空的光都是空氣分子的散射光，其中藍、靛、紫成分佔80%左右。靛、紫兩種成分在太陽光中占的比例本來就不大，因而天空呈現藍色。

從上午8時至下午4時，太陽的直射光中遭到散射的部分是微不足道的。如果有哪個傻瓜願意用肉眼直接看太陽，那麼他看到的就一定是白色圓盤，不可能是「紅太陽」。但是在日出和日落之時，人們看到的太陽確實是紅色的，這是因為此時的直射光線要在幾乎與地面相切的方向上長距離地穿過稠密的大氣層，直射光中的每一種單色成分都按指數律衰減，短波成分迅速消逝了，最終自然是紅光占絕對優勢。

儘管日出和日落之時的直射光是紅色的，但夕陽斜照下的白色牆壁不是呈現紅色，而是呈現橙黃色。這是因為牆壁不僅接受到紅色的直射光，還接受到來自天空的散射光。這時的大氣和雲朵不是對白光進行散射，而是對已被濃密的大氣過濾過的以黃橙為主的直射光進行散射。散射光的光源亮度雖遠不及直射光的光源，但其面積遠大於直射光的光源。

白雲和烏雲都是由小水滴組成的。瑞利定律對小水滴不適用，因為該定律是以氣體分子的二次發射為依據的，而小水滴是比納米粒子還要大的無色透明的球透鏡。它的所謂「散射光」實際上是反射光以及經過幾次折射後的透射光。

白雲和烏雲在「含水量」方面會有些差別，但「含水量」的提法是有點含糊的，詞不達意。它可以被理解為整個雲朵的含水量，也可以被理解為單個水滴的含水量。這兩種理解都有一定根據。烏雲能布滿整個天空，白雲卻做不到。由此可見，就總趨勢來說，烏雲的含水量一般大於白雲。但是，天空里的一絲雲既可以是白雲又可以是烏雲，大片的雲也有「白」、「烏」兩種可能性，夏日巨大的白雲團能在一瞬間變成翻滾的烏雲團，這就不能用含 水量來解釋了。如果「含水量」是指「單個水滴的含水量」，那就準確了。

從雲的形成過程來看，烏雲如果不是從別處飄來的，那就必定是由白雲變來的。白雲則不同，它除了可以從別處飄來或是由烏雲變來以外，還可以在萬里晴空的背景上突然「創生」。藍天背景能在你目不轉睛的幾分鐘里由藍色變成粉藍色，再變成邊緣模糊的淡淡的白雲片以至變成有清晰邊緣的白雲朵，而烏雲卻不能從藍天背景上突然冒出來。白雲變成烏雲多半是在雨前，烏雲變成白雲多半是在雨後。對此類現象的解釋是：夏日地表水在烈日下迅速蒸發，使空氣濕度越來越大；高空的溫度低於地表溫度，因而水蒸氣首先在高空到達飽和狀態和過飽和狀態；高空總會有一些灰塵，成為凝聚中心，使飽和蒸汽和過飽和蒸汽凝成細小的霧滴；霧滴足夠密集時，就成為肉眼可見的白雲；霧滴越來越大，白雲就變成為烏雲；烏雲中的水滴繼續變大，就變成雨滴；雨後空氣的濕度變小，水蒸氣重新回到不飽和的狀態，烏雲中的小水滴開始蒸發，體積越來越小，這樣就使烏雲變成白雲；白雲中的霧滴繼續不斷地蒸發，一旦全部汽化，白雲就消失了，重新露出青天。

白云為何「白」？烏云為何「烏」？夏日白雲團在一瞬間變成烏雲團的例子最能說明問題。在這種突變中，總水量基本上未變，太陽光的投射角也基本上未變，顯眼的變化是「由白變烏」。這種事情總是發生在雷雨即將到來之時，這就表明「由白變烏」是水滴「由小變大」的結果。 烏雲並不是無亮度的「黑雲」，而是有亮度的，並且其散射光實際上也還是白光，與白雲的散射光在光譜方面沒有差別，這是因為大水滴和小水滴對於可見光來說都 是無色透明球透鏡，散射光的顏色由入射光的顏色決定。一旦明確了這一點，我們就能利用「亮度」來對白雲和烏雲作定量的比較。

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