云的水珠为什么是白色的 都是地球上的小水滴

在许多我们司空见惯、熟视无睹的自然现象背后，常常蕴含着深刻的科学道理。

我们抬头看天，天空是蓝色的；蔚蓝的天空上飘着白云，云是白色的。为什么天空是蓝色，云是白色的呢？云只是白色吗？为什么朝霞和晚霞呈现出多彩的颜色？它与太阳和大气有什么关系？回答这些问题，我们需要从太阳开始说起。

天空呈现丰富多彩的颜色

我们能看到多彩的世界，无一不与太阳有关，太阳是地球最主要的自然光源，大部分物体所呈现的颜色都是它们散射和反射太阳光的结果。

太阳光是“白色”的。请注意，我在这里加了引号，因为太阳发出的并不是单一的颜色。如果你在太空，或者从月球上仰望太阳，它发出的是耀眼白光，这是由无数种电磁波组成的复杂光谱，人类可见的波长只是其中极少的部分，我们称其为可见光。

人类和大多数哺乳动物可见的光谱波长范围为380至780nm，它涵盖了从紫色到深红色等各种波长的光，也就是我们通常所说的红澄黄绿青蓝紫七色，实际上这其中包含了无数种颜色，当它们混在一起投射到视网膜，我们看到的就是白色。

可见光只占太阳光谱的一小部分，它们混合起来是白色光

观察阳光颜色的一种方法是使用棱镜。光速随着进入棱镜而略微减小，使其略微弯曲。这称为折射。折射程度随每个波的能级而变化。

白光通过三棱镜折射

可见光谱中的每种颜色代表不同波长的电磁波，随着光波波长的增加，其能量会减少。这意味着构成紫色、靛蓝和蓝色的光波比黄色、橙色和红色光具有更高的能量水平。最低能量光波折射最少，而最高能量波折射最大。最终结果是光线被分散成彩虹色。

除了阳光和星光，太空是黑色的，这里没有任何东西可以折射光线，所以我们看不到任何光。

但在地面，我们白天看到的天空却大多是蓝色的。这是为什么呢？它是大气层对阳光散射的结果。大气中所包含气体的原子和分子远小于太阳发出的光的波长，随着光波进入大气层，其中约有23%的阳光会与空气原子和分子发生碰撞并向各个方向散射，这被称为瑞利散射。

可见光中，大气对蓝光的瑞利散射比例最大

瑞利散射是由粒子的电极化引起的。光波的振荡电场作用于粒子内部的电荷，使它们以相同的频率运动。因此，粒子变成了一个小的辐射偶极子，我们把它的辐射看作是散射光。天空的颜色是所有波长的光散射的结果。然而这种散射并不均衡，而是倾向于较短的波长。

当阳光进入大气时，大部分紫色光波首先散射，但在大气中非常高，因此不容易看到。靛蓝色光波紧接着被散射，我们可以从高海拔地区或是飞机上看到它。接下来，波长较短的蓝色光波以比红光波强约四倍的速率散射，它的散射量比其它波长的光波散射更强烈，因此，我们在地面看到到天空中的蓝色是太阳被大气分子散射的蓝色、绿色光与其它直达地面的白光混合的结果。

在飞机上，我们看到的天空更靛蓝

云通常是白色的。

与瑞利散射不同，云中有许多微小的液体水滴和冰晶，这些小颗粒的大小与阳光的波长相近，所以发生在云层气溶胶中的散射现象被称为米氏散射（Mie scattering）。

米氏散射不区分各个波长颜色，它散射所有波长颜色相同，入射的是什么颜色的光，散射的光也是什么颜色。当来自太阳“白色”光照射到云层时，我们就看到白云。这同时意味着如果阳光的颜色改变，云的颜色也会跟着发生变化。

我们常见的白云

云不总是呈现白色，有时候大气中的雾霾和灰尘会使它们呈现黄色、橙色或红色。随着云层变厚，穿过云层的阳光会减弱或被遮挡，使云层变成灰色的乌云。如果没有直射阳光照射到云层，它可能会反射出天空的颜色并显得偏蓝。

地球上最美丽的朝霞与晚霞是阳光在大气中瑞利散射和米氏散射的优美组合，它通常发生在日出与日落的过程中。

彩色霞光倒映在水面，美轮美奂

瑞利散射与光的波长以及粒子的大小有密切关系。随着空气分子粒径与波长的比率增加，瑞利散射辐射的强度迅速增加。此外，瑞利散射辐射的强度在正向和反向上是相同的。

我们在前面介绍了，天空的蓝色由瑞利散射产生，因为大气中的空气粒子的尺寸远小于可见光的波长。由蓝光的波长较短，其瑞利散射比其他颜色的要大得多。当阳光穿过大气层时，其蓝色成分被强烈地散射，但较长波长（例如红色/黄色）光则更过地穿过。因此，地面的太阳光看起来是微黄色。在日出和日落期间，瑞利散射对透射光谱的影响要大得多，因为光线必须穿过地球表面附近更多的高密度空气，所以阳光看起来会更红。

当太阳下沉到地平线附近时，观察者看到的光

在上图中：

A）阳光在大气层的上层，这里空气稀薄，只有紫色和靛蓝色散射。

B）紫色和靛蓝颜色的光首先散射，接着是蓝色散射。由于折射在光线的路径上增加了一些长度，大气会有一些弯曲的光线，它会呈现出黄色。

C）这是具有最大瑞利散射的最大折射和最长光路，观察者看到太阳的方向红霞满天。

由于光在云层中发生的是米氏散射，所以由那些穿过稠密大气的红色、橙色与黄色光会照射在云层上，加上高层大气靛蓝色背景的映衬，使云显示出同样的彩色。

彩色的云是瑞利散射与米氏散射共同作用的结果

云不只是白色，云的颜色是在大气中的阳光照射下、不同光谱和颜色的光在云层中发生米氏散射的结果。

阳光的可见光谱中含有各种颜色的光波，这些光波拥有不同的能量和波长，更短波长的蓝光容易被地球大气层中的氧气和氮气分子瑞利散射，因此天空看起来是蓝色的，而太阳光穿过大气后会偏黄。

云的颜色与太阳的照射角度和阳光穿过空气的多少有密切关系。在日出及日落前后，太阳处于地平线附近，阳光需要穿过更多稠密的大气，同时发生折射，更多的蓝光被散射。当剩余的橙色与红色光照射在云层时，它会与云发生米氏散射，使云层显现美丽多彩的颜色。

美丽的霞光

云可以是半透明的，我们通过云看到背景蓝天，使其外观更暗；云层中的灰尘以及水滴的大小也会使云看起来显出不同的色彩。