天空中的云為什么會(huì)有白云和黑云？它們有什么區(qū)別？

白云和烏云都是由小水滴組成的。瑞利定律對(duì)小水滴不適用，因?yàn)樵摱墒且詺怏w分子的二次發(fā)射為依據(jù)的，而小水滴是比納米粒子還要大的無色透明的球透鏡。它的所謂“散射光”實(shí)際上是反射光以及經(jīng)過幾次折射后的透射光。
白云和烏云在“含水量”方面會(huì)有些差別，但“含水量”的提法是有點(diǎn)含糊的，詞不達(dá)意。它可以被理解為整個(gè)云朵的含水量，也可以被理解為單個(gè)水滴的含水量。這兩種理解都有一定根據(jù)。烏云能布滿整個(gè)天空，白云卻做不到。由此可見，就總趨勢來說，烏云的含水量一般大于白云。但是，天空里的一絲云既可以是白云又可以是烏云，大片的云也有“白”、“烏”兩種可能性，夏日巨大的白云團(tuán)能在一瞬間變成翻滾的烏云團(tuán)，這就不能用含水量來解釋了。如果“含水量”是指“單個(gè)水滴的含水量”，那就準(zhǔn)確了。
從云的形成過程來看，烏云如果不是從別處飄來的，那就必定是由白云變來的。白云則不同，它除了可以從別處飄來或是由烏云變來以外，還可以在萬里晴空的背景上突然“創(chuàng)生”。我在研究太陽能問題期間曾非常留意天空中云情的變化，多次看到，藍(lán)天背景能在我目不轉(zhuǎn)睛的幾分鐘里由藍(lán)色變成粉藍(lán)色，再變成邊緣模糊的淡淡的白云片以至變成有清晰邊緣的白云朵。從未見過烏云能從藍(lán)天背景上突然冒出來。我還注意到：白云變成烏云多半是在雨前，烏云變成白云多半是在雨后。對(duì)此類現(xiàn)象的解釋是：夏日地表水在烈日下迅速蒸發(fā)，使空氣濕度越來越大；高空的溫度低于地表溫度，因而水蒸氣首先在高空到達(dá)飽和狀態(tài)和過飽和狀態(tài)；高空總會(huì)有一些灰塵，成為凝聚中心，使飽和蒸汽和過飽和蒸汽凝成細(xì)小的霧滴；霧滴足夠密集時(shí)，就成為肉眼可見的白云；霧滴越來越大，白云就變成為烏云；烏云中的水滴繼續(xù)變大，就變成雨滴；雨后空氣的濕度變小，水蒸氣重新回到不飽和的狀態(tài)，烏云中的小水滴開始蒸發(fā)，體積越來越小，這樣就使烏云變成白云；白云中的霧滴繼續(xù)不斷地蒸發(fā)，一旦全部汽化，白云就消失了，重新露出青天。
白云為何“白”？烏云為何“烏”？夏日白云團(tuán)在一瞬間變成烏云團(tuán)的例子最能說明問題。在這種突變中，總水量基本上未變，太陽光的投射角也基本上未變，顯眼的變化是“由白變?yōu)酢?。這種事情總是發(fā)生在雷雨即將到來之時(shí)，這就表明“由白變?yōu)酢笔撬巍坝尚∽兇蟆钡慕Y(jié)果。烏云并不是無亮度的“黑云”，而是有亮度的，并且其散射光實(shí)際上也還是白光，與白云的散射光在光譜方面沒有差別，這是因?yàn)榇笏魏托∷螌?duì)于可見光來說都是無色透明球透鏡，散射光的顏色由入射光的顏色決定。一旦明確了這一點(diǎn)，我們就能利用“亮度”來對(duì)白云和烏云作定量的比較。
就單個(gè)水滴來說，散射光在特定方向上的通量與入射光的通量之比應(yīng)當(dāng)是一個(gè)常數(shù)，與水滴的大小無關(guān)。但就整個(gè)云團(tuán)來說，散射光的總通量與入射光的總通量之比就不是常數(shù)了。單個(gè)水滴的散射截面正比于線度的平方，體積和質(zhì)量正比于線度的立方。這就意味著：在云團(tuán)總質(zhì)量和總體積不變的情況下，如果水滴的半徑增大一倍，那么單個(gè)水滴的散射截面就應(yīng)當(dāng)擴(kuò)大為原來的
4倍，而水滴總數(shù)則縮小為原來的
1/8，意味著總散射截面是原先的一半。由此可見，如果白云團(tuán)中的水滴是屬于微米級(jí)，烏云云團(tuán)中的水滴是屬于亞毫米級(jí)（即100微米）,那么白云的亮度就應(yīng)當(dāng)是烏云的100倍。