云的色彩
郝孟骞
2011年3月
为什么云是白色的？
云中的水滴或冰晶的大小，足以令各种波长（不同颜色）的可见光强烈地散射。由于光在大量水滴或冰晶之间向各个方向作出多重散射（图一），并对可见光只有微弱吸收，所以散射后的光包含各种可见光波长，并组成我们所看见的白色（图二）。
图一：云中的水滴或冰晶将可见光向各个方向散射
图二：晴天下的白云 (图片由天文台李子祥博士拍摄和提供)
由云造成的散射和由大气层造成的有什么不同？
由于在大气中的空气分子和微粒的大小与可见光的波长相若，太阳光以「雷利散射」方式在大气层散射，其中蓝光或紫光（波长较短的光）比红光或橙光（较长波长的光）更易被散射（详情请参见「蓝天」）。
可是，在云中水滴或冰晶的大小（大约或大于10µm），却远远大于可见光的波长。故此所有波长的可见光受这些粒子的散射程度相若（图三），这称为「米散射」。它与具颜色选择性的散射，亦即造成蓝天的雷利散射不同。
图三：云滴对所有波长可见光的散射程度相约
为什么云会变灰或变暗？
当云发展得越来越厚，更多的阳光会被反射，愈来愈少的阳光可以穿透它（见图四）。由于很少阳光可以到达云底，令在云底的散射亦较少，所以云底呈灰色。此外，如果在云底附近的水滴越来越大（例如，当水滴重量足够造成降雨的前一刻），它们会变成较弱的散射体和较强的吸收体。因此，大部分阳光经过反射或吸收后才能到达带雨厚云的云底。由于从云底到达地面观察者的光大为减少，所以在下雨前云看起来是又灰又暗的（图五）
图四 : 光被不同厚度的云透射(红色)、反射(蓝色)和吸收(绿色)的平均百分比
图五 : 云底灰暗的带雨云层 (图片由天文台李子祥博士拍摄和提供)
为什么日落的云是红色或橙色的？
云的颜色还取决于照射在云上的光之颜色。在日落时，当阳光穿过厚厚的大气层和尘埃颗粒，蓝光以雷利散射方式散射，只剩下红到橙色或红色的光（见问题二）。云会反射这些未被散射的红色或橙色光，并呈现这颜色（图六）。其效果犹如红色电筒照在白纸上。
图六：在日落时橙红色的云 (图片由天文台李子祥博士拍摄和提供)
不同高度的云在日落时会同时变红吗？
由于地球是圆的，在当太阳越过地平线时，不同高度的云会在不同的时间变红（图七）。日落前的一刻，低云（如层云）的颜色会首先变红。日落之后不久，高云（如卷云）会逐渐被染成深红色，并在变暗的背景下变得明显。地面上的观测者可以根据日落时不同的云变色先后次序，分辨不同高度的云（图八）。
图七：日落后太阳位置和红云高度之间的关系
图八：日落后只有高云呈红色 (图片由天文台李子祥博士拍摄和提供)
晚上的云是什么颜色？
在有光源的情况下我们才可看见夜间的云。在月光下的薄云层一般呈白色。对于厚实低云的云底，其主要光源来自城市中的路灯和其他地面上的灯光（较常见为橙黄色或白色）。这种光会射至上空的云层，被低云云底散射，令低云在市区看来是橙黄色或白色的（见图九）。云层愈密或愈低，这现象则愈明显。
图九：在一个多云的晚上，左边的云呈橙黄色，右边的云呈白色 (图片由天文台李子祥博士拍摄和提供)
参考资料：
[1] C.D. Ahrens, Meteorology Today: An Introduction to Weather, Climate, and the Environment.
[2] Bohren, C.F., 1987, “Clouds in a glass of beer”, Dover Publications Inc.
[3] 维基百科