什麼原因使白雲看起來是白的，又是什麼原因使烏雲看起來是昏暗的？

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其實這個問題完全可以作為天體物理里輻射轉移的考題。雖然分子雲里塵埃的尺度要比雲小100倍左右……

首先，光源是太陽，而太陽光是接近白色的。不過，有時候你會覺得陽光發黃，是因為大氣中大量的氣體分子在瑞麗散射下散射掉了短波長的光，這也是為什麼天空是藍色的成因。這種現象在日出日落時候最為明顯。

言歸正傳。

當你站在地面上看雲的時候，判斷雲的顏色主要有以下幾種情況：
1. 背景是藍天，上面點綴著一些雲。而太陽並不在雲的後面。這種情況下，因為雲主要是由水或多種化學物質構成的可見的液滴或冰晶的集合體，相比於氣體分子來說，顆粒較大，因此太陽的光線與其作用時，其行為跟空氣中的氣體顆粒不同，而是發生米爾散射，即Mie scattering（這也是火星上藍色夕陽的成因）。而考慮到雲中的顆粒尺度大致在10-100微米之間，其對可見光的散射是均勻的。因為雲因為均勻散射太陽光的緣故，而藍天相比於白雲要暗弱一些，因此在以藍天為背景的情況下，雲呈現出白色。如果你此時在飛機上，處於雲層上端，那麼你看的雲會更白。
［圖片來自Google Image Search］

2. 背景是藍天和一些成片的雲，有些地方雲厚一些。
此時如果你視線方向上的雲後面的背景不是藍天而是一些成片的雲，此時，你看的光線實際上是背景的雲穿過這些前景的雲而呈現出來的，因為雲中顆粒的遮擋，因此顯現出略暗弱的白色，看上去就是顏色發灰的雲。

3. 背景是太陽和藍天的雲。
此時如果雲不是很厚，那麼即便陽光穿過白雲會被減弱，但跟藍天對比，還是會顯現出白色。但是當雲層太厚的時候，雲就會顯現出灰色。

4. 整個天空被雲籠罩。
如果雲層不是很厚，那麼天空還是會呈現出白色的雲。但如果雲變的很厚時，陽光被雲吸收，自然天空中的雲就顯得很黑暗……此時的對比物可以是雲中較稀疏的地方，顯得會亮一些。

總之，在說雲的顏色時，你往往需要一個對比的參照物。好比前段時間很多的白金還是藍黑的問題。人對顏色的感覺並非很準確，同樣一種顏色，參照不同的對比物，你會覺得它們是兩種不同的顏色。所以，在背景是藍天，背景上的白雲，或者是太陽，這三種情況下你會有不同的感官。另外，上面主要是在基於米爾散射的理論，但其實嚴格地說，雲的顏色是同時由米爾散射和瑞麗散射共同決定的。這裡的瑞麗散射主要是大氣的氣體對陽光的作用。關於瑞麗散射最明顯的例子要數日出和日落時雲彩的顏色。因為這兩個時刻，斜射的陽光通過的大氣最厚，由於瑞麗散射會把短波的光子都散射掉，因此，太陽光只剩下了一些比較紅的光子，然後通過白雲的米爾散射，最後射到你眼裡的就是美麗的晚霞啦！！！

進階補充：
如果你對

而考慮到雲中的顆粒尺度大致在10-100微米之間，其對可見光的散射是均勻的。

這句話有疑問。說明你是一個善於思考的童鞋～關於散射理論，德國的科學家古斯塔夫·米爾解出了麥克斯韋方程組的一個解，這個解其實蠻複雜的……簡而言之，它可以用來描述電磁波跟各種各樣的物質粒子之間的相互作用。下圖（來自 http://www.geo.mtu.edu/~scarn/teaching/GE4250/scattering_lecture_slides.pdf）描述了幾種不同尺度的顆粒對不同波長的光的散射程度的強弱。

然後你就會發現，其實在粒子比較小（小於10微米，比如1微米，接近塵埃顆粒大小）的情況下，其對光的散射在與粒子尺度相當的波長處最強。而空氣中的氣體分子，比如氧氣、氮氣之類的大小在0.1nm左右，因此，對短波的散射就強。因而讓天空顯現出藍色。而根據觀測，火星山的塵埃顆粒大小約為1微米左右，而火星上大氣稀薄，塵埃較多，而1微米的顆粒在可見光波段的長波處散射比較厲害（如圖），因此這些塵埃散射掉了較多的紅光，讓火星的天空呈現出紅色。

從地面觀察時，雲底的亮度和雲的厚度以及雲的粒子濃度有關，此二者決定了雲的光學厚度。一束光線在離開雲的過程中可能接觸到0個，1個或者多個雲粒子，雲的光學厚度越大，入射光線衰減（包含了粒子對光的吸收和散射）得越多，亮度越暗。

下圖所示的雲，上下表面間的光學厚度依次增加，從地面觀察，底部的顏色依次變暗。

捲雲Cirrus

層雲Stratus

積雲Cumulus

積雨雲Cumulonimbus

雲的光學厚度與其幾何厚度成正比，上述4種雲的幾何厚度也是依次增加的。單位厚度的光的衰減量與粒子的幾何形狀以及濃度有關。下表是大氣中各種粒子的含量分布：

可見光波長為350nm至780nm，從下圖可以看出，米氏散射更適用於雲粒子，而瑞利散射則更適用於更小的氣溶膠粒子。

簡化的瑞利散射的相位方程如下：

$P_{rayleigh} = frac{3}{4}frac{(1+cos^{2} heta)}{lambda ^{4} }$

可以看出其反比于波長 $lambda$ 的4次方，這也就是為什麼天空是藍色的，而日出日落時太陽周圍的天空是橘紅色的。其中的 $heta$ 是入射光線和出射光線間的夾角。下圖採用Optics of a water drop提供的MiePlot 生成，描述了650nm波長的光線在大小為20nm的粒子上發生折射時出射光強與 $heta$ 間的關係：

然而，瑞利散射模型對描述雲的顏色並沒有太多的卵用，我們還是看看米氏散射吧：

米氏散射的相位函數及其複雜，而且高度依賴於粒子的大小，下圖中從左上角順時針開始分別描述了650nm波長光線在大小為1、2、20、5 $mu m$ 粒子上發生折射時的出射光強與 $heta$ 間的關係。粒子大小的細微變化都導致了曲線的劇烈變化。

然而，上面所說的這些對於我們討論雲的顏色還是沒多大卵用。

為了簡單起見，我們用所有粒子平均的相位函數來代替每個粒子的依次計算。一般雲粒子大小的分布服從伽馬分布，假設一朵雲的粒子大小概率密度函數如下：

橫軸單位是微米。取50等分後平均得到該雲的米氏散射相位函數圖像如下：

橫軸對應了0到180度，縱軸是出射光強。注意到縱軸是對數化後線性的。其實90%的散射都是前向散射（圖中的圈1部分），且集中在10°的範圍內。於是造成了這兩種現象：

強烈的前向散射：

雲的金邊：

光線經雲粒子散射後90%的能量都集中在10°內，雲的其他部分應該很暗才對，但為什麼我們依然能看到白色的雲呢？因為環境光：天空的光和地面水面冰面的反射光。

較為平坦且較寬的圈2部分造成了雲的偽鏡面反射的效果：

圈3和圈4顯示了在150°附近和180°附近有兩個小突起，因能量較低不太容易觀察到，它們對應了霧虹（fogbow）和glory現象。

霧虹：

Glory（中間是飛機的影子）：

霧虹和Glory是由於光的後向散射產生的現象，和日暈是不同的。

好了，扯了一堆文不對題的東西終於扯完了。我想說的就是雲的亮度和其光學厚度有關。而光學厚度又與其幾何厚度以及單位厚度的衰減率有關。後者取決於粒子的形狀，大小，含量等，觀察角度的不同也會影響雲體的亮度和顏色。

以下搜集自互聯網

雲層厚度難以解釋白雲突然變黑的問題

天空里的一絲雲既可以是白雲又可以是烏雲,大片的雲也有「白」、「烏」兩種可能性,夏日巨大的白雲團能在一瞬間變成翻滾的烏雲團,
　　從雲的形成過程來看,烏雲如果不是從別處飄來的,那就必定是由白雲變來的.白雲則不同,它除了可以從別處飄來或是由烏雲變來以外,還可以在萬里晴空的背景上突然「創生」.我在研究太陽能問題期間曾非常留意天空中雲情的變化,多次看到,藍天背景能在我目不轉睛的幾分鐘里由藍色變成粉藍色,再變成邊緣模糊的淡淡的白雲片以至變成有清晰邊緣的白雲朵.從未見過烏雲能從藍天背景上突然冒出來.我還注意到：白雲變成烏雲多半是在雨前,烏雲變成白雲多半是在雨後.對此類現象的解釋是：夏日地表水在烈日下迅速蒸發,使空氣濕度越來越大；高空的溫度低於地表溫度,因而水蒸氣首先在高空到達飽和狀態和過飽和狀態；高空總會有一些灰塵,成為凝聚中心,使飽和蒸汽和過飽和蒸汽凝成細小的霧滴；霧滴足夠密集時,就成為肉眼可見的白雲；霧滴越來越大,白雲就變成為烏雲；烏雲中的水滴繼續變大,就變成雨滴；雨後空氣的濕度變小,水蒸氣重新回到不飽和的狀態,烏雲中的小水滴開始蒸發,體積越來越小,這樣就使烏雲變成白雲；白雲中的霧滴繼續不斷地蒸發,一旦全部汽化,白雲就消失了,重新露出青天.
　　白云為何「白」?烏云為何「烏」?夏日白雲團在一瞬間變成烏雲團的例子最能說明問題.在這種突變中,總水量基本上未變,太陽光的投射角也基本上未變,顯眼的變化是「由白變烏」.這種事情總是發生在雷雨即將到來之時,這就表明「由白變烏」是水滴「由小變大」的結果.烏雲並不是無亮度的「黑雲」,而是有亮度的,並且其散射光實際上也還是白光,與白雲的散射光在光譜方面沒有差別,這是因為大水滴和小水滴對於可見光來說都是無色透明球透鏡,散射光的顏色由入射光的顏色決定.一旦明確了這一點,我們就能利用「亮度」來對白雲和烏雲作定量的比較.`
　　就單個水滴來說,散射光在特定方向上的通量與入射光的通量之比應當是一個常數,與水滴的大小無關.但就整個雲團來說,散射光的總通量與入射光的總通量之比就不是常數了.單個水滴的散射截面正比於線度的平方,體積和質量正比於線度的立方.這就意味著：在雲團總質量和總體積不變的情況下,如果水滴的半徑增大一倍,那麼單個水滴的散射截面就應當擴大為原來的 4倍,而水滴總數則縮小為原來的 1/8,意味著總散射截面是原先的一半.由此可見,如果白雲團中的水滴是屬於微米級,烏云云團中的水滴是屬於亞毫米級（即100微米）,那麼白雲的亮度就應當是烏雲的100倍

高度和厚度。

非正常回答，觀看前請做好心理準備。從這個視頻的11分46開始
【完結有槽點】aldnoah zero第一季

我想變成天上忽明忽暗的雲，悄悄投過你的心波，怕你看到我又怕你看不到我～

一晃神把白雲烏雲都看成了馬雲⊙▽⊙

厚度很低的雲，陽光能「射透」，所以看上去是白的。厚度很高的雲（比如積雨雲），陽光無法「射透」，導致其顏色昏暗。

透過一張紙看太陽和透過一本書看太陽的區別

人所感覺到的白-灰-黑，其實是光線強度的變化。太陽光照射雲上，光線在大量細小的水滴或冰晶的表面反射，在宏觀上出現散射，同時一部分光會被介質吸收。當雲很薄的時候，大量光線都都透過了，只有少量被散射到各個方向，地面上觀察者看到的雲就淡。當雲比較大的時候，大量的光線都被散射，地面上人看到的就是很白的雲。如果出現夏季積雨雲那種很厚的雲，進入雲底部的光線很少，看起來就很灰暗。在夏天觀察一塊比較大的雲，就能明顯的看到，其正對太陽的部分很白很亮，另外一端就比較暗。

僅從光和色的角度簡單粗糙地解釋一下這個問題：

紅色、綠色、藍色為光的三原色，即常說的RGB三原色（Red Green Blue），該種色彩模式的載體是光，所有的自主發光體包括投影儀、電子顯示屏等遵循的都是這種顏色模式。三色重疊得到白色。當所有光都很強，照在一起的時候，白雲就顯示為白色。

而上述三原色兩兩重疊得到一個減色，即CYK青品黃三色（青色、品紅色、黃色）。CYK這三種顏色模式的載體是印刷油墨，又稱為印刷三原色，青品紅三種顏色疊加中心色是黑色。所以印刷時所有油墨顏色噴在一起，疊加後就是黑色的。

現在要講一個補色的概念。光的三原色和它正對面的那個印刷三原色互為補色（對角線上的顏色），即：紅色和青色互為補色，綠色和品紅色互為補色，藍色和黃色互為補色。互補的顏色疊加在一起時，就會互相中和產生灰黑色。當藍色的天空中黃色物質增多時，看上去就會顯得臟髒的，出現霾的顏色。

小實驗：在調一片灰濛濛的天空的照片時，試著把黃色降低，天空就會變藍。PS：為啥黃色和藍色加在一起不是綠色，那是小學的概念，RGB和CMY的色彩模式是不一樣的，準確的說黃色和青色在一起是綠色（見圖二）。而黃色和藍色屬於補色，補色疊加在一起就是臟髒的灰褐色的。

哇塞，這道題不是某位領導來我市考察時問的嗎。當時去了好幾個人，無一人答對。後來一位導遊員，就說了我點贊的那番話，然後領導大喜。就這麼滴……

雲層的厚度

因為烏雲太污了

我恰恰前兩天才知道的，是陪兒子聽「小布叮」學的。

說簡單點，對照物的不同使雲層的顏色不同。當天空都是雲的時候，對照物就是成片的雲，這時雲層厚的地方太陽光不能穿透，和周邊薄的地方比就是灰色，也就是烏雲。天氣晴的時候飄著的朵朵白雲，其實那種雲層很薄，很容易就被陽光穿透，再加上對照物是藍天（沒霾的時候），所以就是白雲朵朵啦！

瑞利散射……隨便找個光學課本就有了

是光使白雲變白，是月亮使白雲變黑。

好問題，我記得我小班的時候也問過老師一樣的問題

黑土