在晴天云彩为什么是白色的?

在晴天云彩为什么是白色的?

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.