为什么雷雨天的乌云是黑色的?

Question

为什么雷雨天的乌云是黑色的?

Answer 1

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.