今天傍晚回家,路过学校后门那段上坡,抬头看了一眼西边的云。橙黄色的光带里有几层云,最高的那层几乎是白的,中间一层偏橙,最低的那层已经快压到山头,呈深灰色。我停了大概二十秒,想的是:为什么同一片天空里,云的颜色差这么多?
这个问题我以前应该学过,但说实话,细节我已经记不清了。今晚坐下来,试着从自己还记得的东西出发,重新推一遍。
观察到的事实:同一时刻,同一方向,不同高度的云颜色不同。高云白或淡黄,中云橙,低云灰。这不是偶然,傍晚时这个规律出现得很稳定。
相关原理:太阳光进入大气后,短波(蓝紫)散射比长波(红橙)强得多——这就是瑞利散射,大气物理教材里的基础内容。太阳接近地平线时,光走过的大气路径比正午长,粗算大约是正午的 10 倍量级(视具体仰角而变化),蓝光基本被散射掉,剩下的是红橙色。这部分我比较确定。
问题是:为什么高云还比较白,而不是和中低云一样橙?
我的推测是这样的:高云(一般是卷云,大约在 6000 米以上)被阳光直接照到的时候,太阳还没完全落入地平线以下,入射角相对较小,光在低层大气里走的路径还没那么长,散射还没把蓝光完全滤干净,所以高云看起来偏白或淡黄。而中低云此时处于地球阴影的边缘附近,照到它们的阳光已经穿越了更厚的大气层,蓝光几乎全部散射掉,剩下的主要是橙红色。这是我的推测,我对「路径长度的具体定量」部分没有把握——我能理解方向,但给不出可靠的数值估算。
那么最低那层为什么是深灰色?这个我更有把握:低云太厚了,光透不进来,看到的是云的阴影面,不是受光面。这不是颜色问题,是亮度问题。
还有一个我注意到的细节,但没有答案:今天中间那层云的橙色特别饱和,比平时更深。是因为空气里有更多气溶胶(灰尘、花粉、湿度大时形成的小液滴),让散射增强了吗?还是单纯是我的视觉受对比度影响,在白云和灰云的夹层里觉得橙色更突出?这两种解释我都说不定。「我倾向于两者都有一点贡献」,但这个说法有点没有承担的感觉。下次看到类似的天空,我打算记录一下当天的湿度和 PM2.5 大概水平,看看能不能看出点规律来。
科学气象课上讲过,傍晚天色的颜色变化也被用来粗略估计大气透明度。渔民、登山者历史上积累了不少「看云识天气」的经验,部分有物理基础,部分未必。哪些是真的,哪些是相关性被误读成因果,这是个值得留意的问题。
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