为什么白云是白色的?
散射以光和粒子的尺寸的不同可分为米氏散射和瑞利散射。当粒子尺度比波长小得多时,采用瑞利散射,也就是天空的颜色的来源;当粒子尺度与波长可相比拟,比如说云中的小液滴,此时应当采用米氏散射,这是云是白的原因。
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夕阳(日落)的颜色当日落或日出时,太阳几乎在我们视线的正前方,此时太阳光在大气中要走相对很长的路程,所看到的直射光中的蓝光大量都被散射了,只剩下红橙色的光,这就是为什么日出或日落时太阳附近呈现红色。
而云也因为反射太阳光而呈现红色,但天空仍然是蓝色的,只能说是非常昏暗的蓝黑色。如果是在月球上,因为没有大气层,天空即使在白天也是黑的。米氏散射(Mie Scattering)由德国物理学家古斯塔夫·米于1908年提出的。
此外,因为云反射和散射所有波段的电磁波,所以云的颜色成灰度色,云层比较薄时成白色。
但是当它们变得太厚或太浓密而使得阳光不能通过的话,它们可以看起来是灰色或黑色的。云的颜色与外观成因于水滴或冰晶散射阳光的行为。
科学上,云的主要结构为水,当大气中的水汽达到饱和蒸汽压时,便会成云。在地球上,水汽能达到饱和通常肇于两种原因:
1、空气的冷却和水汽的增加。当云的密度超过空气浮力时,有些云会落至地面,形成降水;
2、幡状云则不会形成降水,因为所有液态水在到达地表前就先被蒸发了
云是地球上水循环和能量的最好例子。太阳辐射电磁波至地表,提供热能使地表水蒸发形成水蒸气;最后,云再借由降水的方式释放潜热并将水回归至地表。
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对气候的影响
云在天气和气候中的角色是预测全球变暖时的主要不确定性之一。和云有关的过程的脆弱的平衡,以及从毫米到行星的大范围的尺度跨度会造成这种不确定性。因此,全球气候模式很难准确描述大尺度天气和云之间的相互作用。前面章节列出的云的复杂性和多样性增加了模拟的难度。
一方面,白云顶部对来自太阳的短波辐射会有反射,从而使得地表冷却。另一方面,大多数到达地面的阳光被地面吸收,加热了地表,地表又会向上发射长波的红外的辐射。
但是云中的水对长波辐射是有效的吸收剂。云又接着会向上和向下发射红外辐射,向下的辐射会导致地表的净加热效果。这个过程和温室气体和水汽的温室效应类似。