天空和云的颜色是如何形成的？

绿水青山，蓝天白云，色彩使这个世界更加美丽。人眼有感知色彩的能力，因此能够欣赏到这色彩缤纷的世界。天空通常是蓝色的，云通常是白色的，那么它们为什么是这种颜色呢？为什么天空不能是绿色的，云不能是蓝色的？

不管是湛蓝色的天空，还是洁白的云朵，或者是美丽的彩霞，它们都是发生于大气层中的光学现象，阳光、大气和云一起交织出一幅美丽的画卷。

人眼是如何看到颜色的？

人们是靠眼睛发现世界之美的。当外界的光线投射到眼睛中的视网膜上，人类才能观察到这个世界。除了发光物体，不发光的物体能够反射光线，所以才能被我们看见。

人眼视网膜内存在两种类型的感光细胞：视锥细胞和视杆细胞。视细胞能够将光学信号转化为电信号，人脑中掌管视觉的区域接收到这种电信号，便能在大脑中生成看见的景象。人眼视网膜中大约包含1.2亿个视杆细胞，它主要负责分辨明暗程度及动态信息；人眼视网膜中大约有700万个视锥细胞，它主要负责感知颜色和强光。研究表明，人眼有三种视锥细胞，能够辨识红绿蓝这三种颜色。至于红绿蓝之外的颜色，这些色光的频率能够引起两种及以上的视锥细胞产生不同程度的刺激，于是便在脑中形成了不同的色觉。

如果眼睛中没有感知颜色的细胞，看到的世界就是黑白的。由于基因缺陷，一些人天生色盲，色盲眼中的世界会缺失某一种颜色，全色盲患者只能看到黑白世界。而对于某些具有4种视锥细胞的动物来说，它们眼中世界的色彩更加丰富，能感知到人眼感知不到的细节。

颜色的本质

光本质上是电磁波，且具有粒子和波的双重属性。光在传播过程中，因为介质影响，会发生反射、折射、散射等现象。人眼能够看到的光的波长大约在400~760纳米之间，称作可见光。虽然人眼中的感光细胞理论上能够识别1600万种颜色，但我们人只能明确分辨出上百种颜色。

下图为不同色光对应的波长。

在17世纪，伟大的物理学家牛顿对光进行了深入的研究。牛顿研究太阳光时发现，太阳光穿过三棱镜后会形成光谱，这表明阳光（可见光）是由多种单色光组成的复合光（白光）。暴雨过后，空气中会悬浮着小水滴，这些小水滴就相当于三棱镜，可以将阳光分解成七色光。雨过天晴后不久，当适当高度的空中悬浮着较多的小水滴时，从地面上的特定角度就能看见彩虹。阳光通过三棱镜后会发生色散，是因为不同频率的光的折射率不同。在可见光中，红光频率低，折射率小；紫光频率高，折射率大。

不同颜色的光对应着不同的频率。理论上来讲，自然界中存在无限多种颜色。其实，光本质上并不存在颜色这个特征，色光之间的差异只是频率不同罢了，我们是以人眼所感知到的频率为基准划分色光的。

颜色包含色相、明度和饱和度（纯度）三个要素。色相用来区别不同的颜色，由射入人眼的光线的光谱决定，不同的物体拥有不同的光谱特征，单色光的色相完全取决于光的频率。明度表示颜色的明暗程度，由光线的强弱决定，明度的变化通常会影响到颜色的纯度。纯度表示颜色的深浅，或者说鲜艳程度，与光谱中单色光的占比有关。当饱和度为0，就成为黑白色了。

决定物体颜色的因素是什么？

物体的颜色取决于光源和物体这两者。

不同的光源具有不同的光谱，自然界中最常见的光源就是太阳光了，太阳光是由多种色光混合而成的，从大气层外看起来是白色的。当光照射到物体上时，会被物体吸收、反射和透射（包括散射和折射）。

上图清晰的表示了反射、折射、散射三者之间的区别。

反射发生于物体的表面或两种介质的分界面，分为镜面反射和漫反射，客观世界中几乎都是漫反射。

自然界中的物体几乎都能够反光，物体的颜色就由该物体所反射的色光决定。不同物体具有不同的特性，会选择性的吸收或者反射色光，我们通常将物体在阳光下看到的颜色称之为物体的固有色。一个红色的物体，就是因为它几乎只能反射红光，其余的色光都被该物体吸收了。几乎能够反射所有色光的物体看起来是白色的，几乎能够吸收所有色光的物体看起来是黑色的。如果一束红光照射到绿叶上面，由于绿叶只能反射绿光，那么它看起来就是黑色的。

光在透明或者半透明的介质中传播时，属于透射。在这个过程中，光与媒介物的粒子发生碰撞，光的传播路径会发生改变。如果介质是均匀的，则会发生折射；如果介质不均匀，则会发生散射。从微观角度来看，散射可以看做是光被无数微粒反射到四面八方。

上图展示了光在散射过程中的传播路径。

透明与不透明是相对的。当光穿过的介质很薄时，只有一小部分光会被吸收，一些不透明的物体也会变得透明。比如，在手电筒照射下，一本书是不透明的，而书中的一页纸却是透明的。对于那些透明的物体，它们的颜色则由其所能透过的色光决定。

天空和云的颜色是如何形成的？

在白天，人能够看见这个世界，是因为存在阳光。太空空荡荡的，没有什么可以反光的物体，因此看上去一片黑暗，只能看见一些发光或者反光的天体。

阳光照射到地球表面，使我们感受到温暖，促进万物生长。阳光在到达地面之前，会先穿过大气层和云层。

人们生活在地球表面，地球表面被1000多公里厚的大气层笼罩着，大气具有很好的透光性，是一种混合物，主要由78%的氮气和21%的氧气构成，并且在重力的作用下，海拔越高，密度越低。云是由水蒸气冷却后形成的小水滴和小冰晶形成的，悬浮在上千米的高空中，介于半透明状态。这两种介质都是不均匀的，必然会发生散射现象。

天空的颜色与瑞利散射有关。大气分子的直径小于1纳米，可见光的波长在400纳米以上，当透明物质粒子的尺度小于光波长的1/10时，阳光在穿过大气时就会发生瑞利散射（又叫做分子散射）。瑞利散射的散射强度与波长的4次方成反比，即光的波长越短，散射越强。

太阳光属于复合光，可以分解为红橙黄绿蓝靛紫7种色光，其中紫光的波长最短。在大气分子的作用下，波长较短的光被更多地散射至整个天空，紫色光和靛色光在高空中被率先散射，地面上的人很难看到，并且人眼对波长较短的蓝光更加敏感，所以整个天空看起来就是蓝色的。如果没有散射，天空将一片黑暗，比如月球上的天空。海水为什么是蓝的，也与瑞利散射有一定的关系。

如果没有大气的干扰，太阳看起来是白色的。当太阳斜射，阳光要穿过更厚、密度更大的大气，波长较短的光大多被散射了，阳光到达人眼时，红光占比最大，所以早上或者傍晚时分看到的太阳偏红。红色的指示灯在大雾里更容易被人看见，也是这个原理。

云的颜色与米氏散射有关。当微粒的直径与波长相当时，就会发米氏散射，散射强度与光波长的二次方成反比。相对于瑞利散射，米氏散射的强度要弱很多。云层本身比较薄，当阳光穿过云层时，各种色光的散射强度相差不大，所以云看起来就是白色的。当云层较厚时，阳光几乎不能照射下来，云便呈现出灰色。

下图为微粒尺寸与散射强度的关系。

总结起来，天空的颜色与瑞利散射有关，而云的颜色主要与米氏散射有关。至于彩云的形成，则是两者共同的作用。彩色的云霞一般出现于晴朗的清晨或傍晚，早晨的被称之为朝霞，傍晚的被称之为晚霞或火烧云。

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