Yuan Yijun (bbbush) wrote,
Yuan Yijun
bbbush

白云的白

发信人: jjg (美女是第一生产力), 信区: Physics
标  题: 谁能解释一下蓝天、白云和乌云。
发信站: 南京大学小百合站 (Sun May 28 10:46:34 2006)

白云为什么是白色,乌云为什么是黑色?天空为什么是蓝色,太阳为什么是红色(按维恩
定律绿色部分辐射最强)?燃烧的香烟的烟圈是蓝色,为什么我吐出的烟圈是白色?


发信人: pangen (潘根), 信区: Physics
标  题: Re: 谁能解释一下蓝天、白云和乌云。
发信站: 南京大学小百合站 (Thu Jun  1 18:19:13 2006)


    ○散射有瑞利散射、丁铎尔散射、喇曼散射之分。楼主提的问题属于前两类。

    “蓝天”、“红日”问题属于瑞利散射类,散射中心是气体分子,其尺寸比光
波的波长小三个量级。
    “白云”、“乌云”问题属于丁铎尔散射类,散射中心是透明的液滴,其尺寸
多半在微米与亚毫米之间,即与光波的波长相近,或是比后者大1~2个量级。
    “蓝烟”、“白烟”也属于丁铎尔散射类,散射中心是以不透明的尘埃为主。

    ○太阳的本色既不是红色,又不是绿色,而是白色。维恩定律是揭示黑体辐射
谱中最强的单色成分与温度之间的对应关系,而不是说多色光引起的色觉由最强的
单色成分决定。

    “白”是多色光的综合效果,是视觉效果。视觉意义上的多色光的“色”是属
于主观的感觉,它与纯客观的单色光的“色”之间没有必然的联系。彩电屏幕能显
示黄、橙、紫等种“视觉单色”,但这些色中实际上完全不含黄、橙、紫的单色成
分,它们都是由红、蓝、绿三种单色成分按适当的比例配成的具有单色视觉效果的
“三色光”。

    ○瑞利定律(散射光强度反比于波长的四次方)是专对分子散射而言的。利用
瑞利定律不难证明:白光受散射后,散射光中的蓝光(~0.45μm左右)的强度是红
光(~0.65μm左右)的4~6倍。

    白天除了早晨和黄昏时分以外,人们视野内的大气基本上是受到白光的照射。
晴天来自天空的光都是空气分子的散射光,其中蓝、靛、紫成分占80%左右。靛、
紫两种成分在太阳光中占的比例本来就不大,因而天空呈现蓝色。

    从上午8时至下午4时,太阳的直射光中遭到散射的部分是微不足道的。如果有
哪个傻瓜愿意用肉眼直接看太阳,那么他看到的就一定是白色圆盘,不可能是“红
太阳”。但是在日出和日落之时,人们看到的太阳确实是红色的,这是因为此时的
直射光线要在几乎与地面相切的方向上长距离地穿过稠密的大气层,直射光中的每
一种单色成分都按指数律衰减,短波成分迅速消逝了,最终自然是红光占绝对优势。

    尽管日出和日落之时的直射光是红色的,但夕阳斜照下的白色墙壁不是呈现红
色,而是呈现橙黄色。这是因为,墙壁不仅接受到红色的直射光,还接受到来自天
空的散射光。这时的大气和云朵不是对白光进行散射,而是对已被浓密的大气过滤
过的以黄橙为主的直射光进行散射。散射光的光源亮度虽远不及直射光的光源,但
其面积远大于直射光的光源。

    ○白云和乌云都是由小水滴组成的。瑞利定律对小水滴不适用,因为该定律是
以气体分子的二次发射为依据的,而小水滴是比纳米粒子还要大的无色透明的球透
镜。它的所谓“散射光”实际上是反射光以及经过几次折射后的透射光。

    白云和乌云在“含水量”方面会有些差别,但“含水量”的提法是有点含糊的,
词不达意。它可以被理解为整个云朵的含水量,也可以被理解为单个水滴的含水量。
这两种理解都有一定根据。乌云能布满整个天空,白云却做不到。由此可见,就总
趋势来说,乌云的含水量一般大于白云。但是,天空里的一丝云既可以是白云又可
以是乌云,大片的云也有“白”、“乌”两种可能性,夏日巨大的白云团能在一瞬
间变成翻滚的乌云团,这就不能用含水量来解释了。如果“含水量”是指“单个水
滴的含水量”,那就准确了。

    从云的形成过程来看,乌云如果不是从别处飘来的,那就必定是由白云变来的。
白云则不同,它除了可以从别处飘来或是由乌云变来以外,还可以在万里晴空的背
景上突然“创生”。我在研究太阳能问题期间曾非常留意天空中云情的变化,多次
看到,蓝天背景能在我目不转睛的几分钟里由蓝色变成粉蓝色,再变成边缘模糊的
淡淡的白云片以至变成有清晰边缘的白云朵。从未见过乌云能从蓝天背景上突然冒
出来。我还注意到:白云变成乌云多半是在雨前,乌云变成白云多半是在雨后。对
此类现象的解释是:夏日地表水在烈日下迅速蒸发,使空气湿度越来越大;高空的
温度低于地表温度,因而水蒸气首先在高空到达饱和状态和过饱和状态;高空总会
有一些灰尘,成为凝聚中心,使饱和蒸汽和过饱和蒸汽凝成细小的雾滴;雾滴足够
密集时,就成为肉眼可见的白云;雾滴越来越大,白云就变成为乌云;乌云中的水
滴继续变大,就变成雨滴;雨后空气的湿度变小,水蒸气重新回到不饱和的状态,
乌云中的小水滴开始蒸发,体积越来越小,这样就使乌云变成白云;白云中的雾滴
继续不断地蒸发,一旦全部汽化,白云就消失了,重新露出青天。

    白云为何“白”?乌云为何“乌”?夏日白云团在一瞬间变成乌云团的例子最
能说明问题。在这种突变中,总水量基本上未变,太阳光的投射角也基本上未变,
显眼的变化是“由白变乌”。 这种事情总是发生在雷雨即将到来之时, 这就表明
“由白变乌”是水滴“由小变大”的结果。乌云并不是无亮度的“黑云”,而是有
亮度的,并且其散射光实际上也还是白光,与白云的散射光在光谱方面没有差别,
这是因为大水滴和小水滴对于可见光来说都是无色透明球透镜,散射光的颜色由入
射光的颜色决定。一旦明确了这一点,我们就能利用“亮度”来对白云和乌云作定
量的比较。

    就单个水滴来说,散射光在特定方向上的通量与入射光的通量之比应当是一个
常数,与水滴的大小无关。但就整个云团来说,散射光的总通量与入射光的总通量
之比就不是常数了。单个水滴的散射截面正比于线度的平方,体积和质量正比于线
度的立方。这就意味着:在云团总质量和总体积不变的情况下,如果水滴的半径增
大一倍,那么单个水滴的散射截面就应当扩大为原来的 4倍,而水滴总数则缩小为
原来的 1/8,意味着总散射截面是原先的一半。由此可见,如果白云团中的水滴是
属于微米级,乌云云团中的水滴是属于亚毫米级(即100微米),那么白云的亮度就
应当是乌云的100倍。

    ○“蓝烟”和“白烟”的散射光则主要是来自有色不透明的固体微粒,烟的颜
色是由固体粒子的颜色决定的,不仅有“蓝烟”和“白烟”,还有“黑烟”、“红
烟”、“黄烟”等等,实际上都是固体粒子的本色。

    香烟的烟圈成分比较复杂,除了含有固态碳粒以外,还含有由焦油、尼古丁之
类的物质构成的液滴,综合效果是使烟色接近于白色的浅蓝色。人体呼吸道内的水
蒸气通常处于饱和状态。香烟的烟粒进入呼吸道后就会成为水蒸气的凝聚中心,水
的薄膜有滤波作用,或许能滤掉一些蓝色成分。从口中吐出的烟不光是来源于香烟,
还有人体提供的未被烟粒吸附的饱和水蒸气。室温通常低于体温,饱和水蒸气一旦
降温就会处于过饱和状态,很容易凝成雾滴(这种情况在冬季特别明显),类似于
白云。



发信人: aqiudaqi (秋), 信区: Physics
标  题: Re: 谁能解释一下蓝天、白云和乌云。
发信站: 南京大学小百合站 (Sun Jun  4 15:14:00 2006)

pangen的认真真是让人又佩服又汗颜啊
获益良多~
最近要due的事情太多,要学的更多
争取过段时间能整理一些读书报告,这里先简单讨论一下:

1.光在大气中的散射(by small particles)
  现在主要还是考虑弹性散射(去掉Raman之类)
  一般也很少提到Tyndall的样子(不成严格理论?)
  对Single Scattering问题
  最简单的情况是各向同性均质球体(isotropic homogeneous sphere)
  以Lorenz(1890)为先驱,Gustav Mie在1908发表论文
  Contributions to the optics of turbid media, especially colloidal 
  metal suspensions(原文是德语-_-!)
  从Maxwell方程组出发得到精确解,现称Lorenz-Mie Theory
  简单地,如果以尺度参数x=(2pi*a)/波长为横坐标
  那么在左端就是Rayleigh approximantion(RA)
  而在其右端即为geometrical optics approximantion(GOA)
  中间部分有时称做Mie scattering
  不过这好像不是很严格的分类称呼
  因为Mie把所有这些都解决了
  最近几十年,随着数值算法和计算条件的进步
  对Non-spherical Particles的分析也在不断放出
  当然,这一切的理论基础都来源于伟大的James Clerk Maxwell
  1831-1879,The greatest equations ever...

  只有“好”的环境下,RA对天空才比较好用
  气溶胶一旦多起来就该郁闷了,郁闷天变白变灰RA不管用了,郁闷污染重了~

2.对云来说,Multiple Scattering是dominant effect
  但处理起来绝非是把Single Scattering粒子数目增加那么简单
  长期以来的实际处理是忽略微观解释从宏观能量守恒出发:
  Radiative Transfer Theory & Equation(RTT&RTE)...plaplapla~
  所以对云颜色的通俗解释,我觉得还是简单点就好,
  尺度参数较大决定了对可见光频率变化不太敏感
  density&thickness又决定了灰度深浅
  有时想想太阳的"可见光"之所以在人眼看来如此
  大约是我们自己的视觉感光细胞在进化中适应了太阳辐射经大气部分吸收后
  到达地面中最大那段"窗区"吧,还省了在可见光区讨论辐射吸收带的麻烦
  纯粹个人无责任臆测~

  NASA的Mishchenko 2002和2003在Appl.Opt.上的文章
  从multiple wave scttering在离散&随机介质中电磁理论出发
  简化后得到了RTE,将宏观的RTT和微观的Single Scattering联系起来
  统一在Maxwell的大旗下...oh~wowowo

3.云的演变又是另一个huge topic, 而且unrevealed的问题特别多
  但既然pangen提到了“白云的亮度就应当是乌云的100倍”的例子...
  我觉得比较容易误导观众
  云滴的发展,在浓度滴谱上的表现更类似于把整条正态曲线向右平移
  增加的水分主要来自于周围环境
  实际上一次典型降水过程中的雨量远多过云内含水量(由地面蒸发不断补充)
  云内云外的动力/微物理过程都很复杂
  云内也远不止气体和液态水滴那么简单
  发展旺盛的积云内部,雹啊雪啊冰晶啊过冷水滴啊云滴啊雨滴啊...啥都有
  这还不算"污染物"(比如硫酸盐气溶胶)...
  所以...还是简单就好,通俗就好,定量要小心~

  "乌云"要有一定"密度"和"厚度"才行,所以在低云中常见,中云有一些,高云...?
  "一丝云既可以是白云又可以是乌云"还真的头次听说

--胡言乱语作抛砖引玉状,期待牛人批评指正^_^

Tags: 百合, 转载
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