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雲的色彩

  1. 為什麼雲是白色的?
  2. 由雲造成的散射和由大氣層造成的有什麼不同?
  3. 為什麼雲會變灰或變暗?
  4. 為什麼日落的雲是紅色或橙色的?
  5. 不同高度的雲在日落時會同時變紅嗎?
  6. 晚上的雲是什麼顏色?  

    撰文:郝孟騫       2011年3月


    1.  為什麼雲是白色的?

    雲中的水滴或冰晶的大小,足以令各種波長(不同顏色)的可見光強烈地散射。由於光在大量水滴或冰晶之間向各個方向作出多重散射(圖一),並對可見光只有微弱吸收,所以散射後的光包含各種可見光波長,並組成我們所看見的白色(圖二)。

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    圖一:雲中的水滴或冰晶將可見光向各個方向散射

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    圖二:晴天下的白雲 (圖片由天文台李子祥博士拍攝和提供)

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    2.  由雲造成的散射和由大氣層造成的有什麼不同?

    由於在大氣中的空氣分子和微粒的大小與可見光的波長相若,太陽光以「雷利散射」方式在大氣層散射,其中藍光或紫光(波長較短的光)比紅光或橙光(較長波長的光)更易被散射(詳情請參見「藍天」)。

    可是,在雲中水滴或冰晶的大小(大約或大於10µm),卻遠遠大於可見光的波長。故此所有波長的可見光受這些粒子的散射程度相若(圖三),這稱為「米散射」。它與具顏色選擇性的散射,亦即造成藍天的雷利散射不同。
     
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    圖三:雲滴對所有波長可見光的散射程度相約

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    3.  為什麼雲會變灰或變暗?

    當雲發展得越來越厚,更多的陽光會被反射,愈來愈少的陽光可以穿透它(見圖四)。由於很少陽光可以到達雲底,令在雲底的散射亦較少,所以雲底呈灰色。此外,如果在雲底附近的水滴越來越大(例如,當水滴重量足夠造成降雨的前一刻),它們會變成較弱的散射體和較強的吸收體。因此,大部分陽光經過反射或吸收後才能到達帶雨厚雲的雲底。由於從雲底到達地面觀察者的光大為減少,所以在下雨前雲看起來是又灰又暗的(圖五)
     
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    圖四 : 光被不同厚度的雲透射(紅色)、反射(藍色)和吸收(綠色)的平均百分比
     
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    圖五 : 雲底灰暗的帶雨雲層 (圖片由天文台李子祥博士拍攝和提供)

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    4.  為什麼日落的雲是紅色或橙色的?

    雲的顏色還取決於照射在雲上的光之顏色。在日落時,當陽光穿過厚厚的大氣層和塵埃顆粒,藍光以雷利散射方式散射

    ,只剩下紅到橙色或紅色的光(見問題二)。雲會反射這些未被散射的紅色或橙色光,並呈現這顏色(圖六)。其效果猶如紅色電筒照在白紙上。

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    圖六:在日落時橙紅色的雲 (圖片由天文台李子祥博士拍攝和提供)

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    5.  不同高度的雲在日落時會同時變紅嗎?

    由於地球是圓的,在當太陽越過地平線時,不同高度的雲會在不同的時間變紅(圖七)。日落前的一刻,低雲(如層雲)的顏色會首先變紅。日落之後不久,高雲(如卷雲)會逐漸被染成深紅色,並在變暗的背景下變得明顯。地面上的觀測者可以根據日落時不同的雲變色先後次序,分辨不同高度的雲(圖八)。

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    圖七:日落後太陽位置和紅雲高度之間的關係

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    圖八:日落後只有高雲呈紅色 (圖片由天文台李子祥博士拍攝和提供)

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    6.  晚上的雲是什麼顏色?

    在有光源的情況下我們才可看見夜間的雲。在月光下的薄雲層一般呈白色。對於厚實低雲的雲底,其主要光源來自城市中的路燈和其他地面上的燈光(較常見為橙黃色或白色)。這種光會射至上空的雲層,被低雲雲底散射,令低雲在市區看來是橙黃色或白色的(見圖九)。雲層愈密或愈低,這現象則愈明顯。

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    圖九:在一個多雲的晚上,左邊的雲呈橙黃色,右邊的雲呈白色
    (圖片由天文台李子祥博士拍攝和提供)
     
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       參考:

    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. 維基百科
最近修訂日期: <2014年4月1日>