【天文台科普】夜晚嘅雲係咩顏色?一文解構不同時間雲的色彩變化

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(原文取自天文台網頁,大小標題、引言及內文,經過香港01編輯修訂)

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)。

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。

圖三:雲滴對所有波長可見光的散射程度相約(香港天文台提供)

為什麼雲會變灰或變暗?

當雲發展得愈來愈厚,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愈來愈大(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)

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。

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)

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)。

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。

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)

原文:雲的色彩

作者:香港天文台郝孟騫

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



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