白云為什么是白色，烏云為什么是黑色？天空為什么是藍(lán)色，太陽(yáng)為什么是紅色
散射有瑞利散射、丁鐸爾散射、拉曼散射之分。
“藍(lán)天”、“紅日”問(wèn)題屬于瑞利
散射類，散射中心是氣體分子，其尺寸比光波的波長(zhǎng)小三個(gè)量級(jí)。
“白云”、“烏云”問(wèn)題屬于丁鐸爾散射類，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(zhǎng)相近，或是比后者大1～2個(gè)量級(jí)。
太陽(yáng)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(qiáng)的單色成分與溫度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，而不是說(shuō)多色光引起的色覺(jué)由最強(qiáng)的單色成分決定。
“白”是多色光的綜合效果，是視覺(jué)效果。視覺(jué)意義上的多色光的“色”是屬于主觀的感覺(jué)，它與純客觀的單色光的 “色”之間沒(méi)有必然的聯(lián)系。彩電屏幕能顯示黃、橙、紫等種“視覺(jué)單色”，但這些色中實(shí)際上完全不含黃、橙、紫的單色成分，它們都是由紅、藍(lán)、綠三種單色成分按適當(dāng)?shù)谋壤涑傻木哂袉紊曈X(jué)效果的“三色光”。
紅、藍(lán)、綠三原色
瑞利定律（散射光強(qiáng)度反比于波長(zhǎng)的四次方）是專對(duì)分子散射而言的。利用瑞利定律不難證明：白光受散射后，散射光中的藍(lán)光（約0.45μm左右）的強(qiáng)度是紅光（約0.65μm左右）的4～6倍。
白天除了早晨和黃昏時(shí)分以外，人們視野內(nèi)的大氣基本上是受到白光的照射。晴天來(lái)自天空的光都是空氣分子的散射光，其中藍(lán)、靛、紫成分占80%左右。靛、紫兩種成分在太陽(yáng)光中占的比例本來(lái)就不大，因而天空呈現(xiàn)藍(lán)色。
從上午8時(shí)至下午4時(shí)，太陽(yáng)的直射光中遭到散射的部分是微不足道的。如果有哪個(gè)傻瓜愿意用肉眼直接看太陽(yáng)，那么他看到的就一定是白色圓盤，不可能是“紅太陽(yáng)”。但是在日出和日落之時(shí)，人們看到的太陽(yáng)確實(shí)是紅色的，這是因?yàn)榇藭r(shí)的直射光線要在幾乎與地面相切的方向上長(zhǎng)距離地穿過(guò)稠密的大氣層，直射光中的每一種單色成分都按指數(shù)律衰減，短波成分迅速消逝了，最終自然是紅光占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。
盡管日出和日落之時(shí)的直射光是紅色的，但夕陽(yáng)斜照下的白色墻壁不是呈現(xiàn)紅色，而是呈現(xiàn)橙黃色。這是因?yàn)閴Ρ诓粌H接受到紅色的直射光，還接受到來(lái)自天空的散射光。這時(shí)的大氣和云朵不是對(duì)白光進(jìn)行散射，而是對(duì)已被濃密的大氣過(guò)濾過(guò)的以黃橙為主的直射光進(jìn)行散射。散射光的光源亮度雖遠(yuǎn)不及直射光的光源，但其面積遠(yuǎn)大于直射光的光源。
白云和烏云都是由小水滴組成的。瑞利定律對(duì)小水滴不適用，因?yàn)樵摱墒且詺怏w分子的二次發(fā)射為依據(jù)的，而小水滴是比納米粒子還要大的無(wú)色透明的球透鏡。它的所謂“散射光”實(shí)際上是反射光以及經(jīng)過(guò)幾次折射后的透射光。
白云和烏云在“含水量”方面會(huì)有些差別，但“含水量”的提法是有點(diǎn)含糊的，詞不達(dá)意。它可以被理解為整個(gè)云朵的含水量，也可以被理解為單個(gè)水滴的含水量。這兩種理解都有一定根據(jù)。烏云能布滿整個(gè)天空，白云卻做不到。由此可見(jiàn)，就總趨勢(shì)來(lái)說(shuō)，烏云的含水量一般大于白云。但是，天空里的一絲云既可以是白云又可以是烏云，大片的云也有“白”、“烏”兩種可能性，夏日巨大的白云團(tuán)能在一瞬間變成翻滾的烏云團(tuán)，這就不能用含 水量來(lái)解釋了。如果“含水量”是指“單個(gè)水滴的含水量”，那就準(zhǔn)確了。
從云的形成過(guò)程來(lái)看，烏云如果不是從別處飄來(lái)的，那就必定是由白云變來(lái)的。白云則不同，它除了可以從別處飄來(lái)或是由烏云變來(lái)以外，還可以在萬(wàn)里晴空的背景上突然“創(chuàng)生”。藍(lán)天背景能在你目不轉(zhuǎn)睛的幾分鐘里由藍(lán)色變成粉藍(lán)色，再變成邊緣模糊的淡淡的白云片以至變成有清晰邊緣的白云朵，而烏云卻不能從藍(lán)天背景上突然冒出來(lái)。白云變成烏云多半是在雨前，烏云變成白云多半是在雨后。對(duì)此類現(xiàn)象的解釋是：夏日地表水在烈日下迅速蒸發(fā)，使空氣濕度越來(lái)越大；高空的溫度低于地表溫度，因而水蒸氣首先在高空到達(dá)飽和狀態(tài)和過(guò)飽和狀態(tài)；高空總會(huì)有一些灰塵，成為凝聚中心，使飽和蒸汽和過(guò)飽和蒸汽凝成細(xì)小的霧滴；霧滴足夠密集時(shí)，就成為肉眼可見(jiàn)的白云；霧滴越來(lái)越大，白云就變成為烏云；烏云中的水滴繼續(xù)變大，就變成雨滴；雨后空氣的濕度變小，水蒸氣重新回到不飽和的狀態(tài)，烏云中的小水滴開(kāi)始蒸發(fā)，體積越來(lái)越小，這樣就使烏云變成白云；白云中的霧滴繼續(xù)不斷地蒸發(fā)，一旦全部汽化，白云就消失了，重新露出青天。
白云為何“白”？烏云為何“烏”？夏日白云團(tuán)在一瞬間變成烏云團(tuán)的例子最能說(shuō)明問(wèn)題。在這種突變中，總水量基本上未變，太陽(yáng)光的投射角也基本上未變，顯眼的變化是“由白變?yōu)酢�。這種事情總是發(fā)生在雷雨即將到來(lái)之時(shí)，這就表明“由白變?yōu)酢笔撬巍坝尚∽兇蟆钡慕Y(jié)果。 烏云并不是無(wú)亮度的“黑云”，而是有亮度的，并且其散射光實(shí)際上也還是白光，與白云的散射光在光譜方面沒(méi)有差別，這是因?yàn)榇笏魏托∷螌?duì)于可見(jiàn)光來(lái)說(shuō)都 是無(wú)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(diǎn)，我們就能利用“亮度”來(lái)對(duì)白云和烏云作定量的比較。
白云為何“白”？烏云為何“烏”？
就單個(gè)水滴來(lái)說(shuō)，散射光在特定方向上的通量與入射光的通量之比應(yīng)當(dāng)是一個(gè)常數(shù)，與水滴的大小無(wú)關(guān)。但就整個(gè)云團(tuán)來(lái)說(shuō)，散射光的總通量與入射光的總通量之比就不是常數(shù)了。單個(gè)水滴的散射截面正比于線度的平方，體積和質(zhì)量正比于線度的立方。這就意味著：在云團(tuán)總質(zhì)量和總體積不變的情況下，如果水滴的半徑增大一倍，那么單個(gè)水滴的散射截面就應(yīng)當(dāng)擴(kuò)大為原來(lái)的4倍，而水滴總數(shù)則縮小為原來(lái)的1/8，意味著總散射截面是原先的一半。由此可見(jiàn)，如果白云團(tuán)中的水滴是屬于微米級(jí)，烏云云團(tuán)中的水滴是屬于亞毫米級(jí)（即100微米）,那么白云的亮度就應(yīng)當(dāng)是烏云的100倍。
本文來(lái)自：逍遙右腦記憶 http://simonabridal.com/chuzhong/1222470.html
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