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 *** ，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，红光占比更大，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。

来源：博客，欢迎分享本文！