綠水青山，藍天白云，色彩使這個世界更加美麗。人眼有感知色彩的能力，因此能夠欣賞到這色彩繽紛的世界。天空通常是藍色的，云通常是白色的，那么它們?yōu)槭裁词沁@種顏色呢？為什么天空不能是綠色的，云不能是藍色的？

不管是湛藍色的天空，還是潔白的云朵，或者是美麗的彩霞，它們都是發(fā)生于大氣層中的光學現(xiàn)象，陽光、大氣和云一起交織出一幅美麗的畫卷。

人眼是如何看到顏色的？

人們是靠眼睛發(fā)現(xiàn)世界之美的。當外界的光線投射到眼睛中的視網(wǎng)膜上，人類才能觀察到這個世界。除了發(fā)光物體，不發(fā)光的物體能夠反射光線，所以才能被我們看見。

人眼視網(wǎng)膜內(nèi)存在兩種類型的感光細胞：視錐細胞和視桿細胞。視細胞能夠?qū)⒐鈱W信號轉(zhuǎn)化為電信號，人腦中掌管視覺的區(qū)域接收到這種電信號，便能在大腦中生成看見的景象。人眼視網(wǎng)膜中大約包含1.2億個視桿細胞，它主要負責分辨明暗程度及動態(tài)信息；人眼視網(wǎng)膜中大約有700萬個視錐細胞，它主要負責感知顏色和強光。研究表明，人眼有三種視錐細胞，能夠辨識紅綠藍這三種顏色。至于紅綠藍之外的顏色，這些色光的頻率能夠引起兩種及以上的視錐細胞產(chǎn)生不同程度的刺激，于是便在腦中形成了不同的色覺。

如果眼睛中沒有感知顏色的細胞，看到的世界就是黑白的。由于基因缺陷，一些人天生色盲，色盲眼中的世界會缺失某一種顏色，全色盲患者只能看到黑白世界。而對于某些具有4種視錐細胞的動物來說，它們眼中世界的色彩更加豐富，能感知到人眼感知不到的細節(jié)。

顏色的本質(zhì)

光本質(zhì)上是電磁波，且具有粒子和波的雙重屬性。光在傳播過程中，因為介質(zhì)影響，會發(fā)生反射、折射、散射等現(xiàn)象。人眼能夠看到的光的波長大約在400~760納米之間，稱作可見光。雖然人眼中的感光細胞理論上能夠識別1600萬種顏色，但我們?nèi)酥荒苊鞔_分辨出上百種顏色。

下圖為不同色光對應的波長。

在17世紀，偉大的物理學家牛頓對光進行了深入的研究。牛頓研究太陽光時發(fā)現(xiàn)，太陽光穿過三棱鏡后會形成光譜，這表明陽光（可見光）是由多種單色光組成的復合光（白光）。暴雨過后，空氣中會懸浮著小水滴，這些小水滴就相當于三棱鏡，可以將陽光分解成七色光。雨過天晴后不久，當適當高度的空中懸浮著較多的小水滴時，從地面上的特定角度就能看見彩虹。陽光通過三棱鏡后會發(fā)生色散，是因為不同頻率的光的折射率不同。在可見光中，紅光頻率低，折射率?。蛔瞎忸l率高，折射率大。

不同顏色的光對應著不同的頻率。理論上來講，自然界中存在無限多種顏色。其實，光本質(zhì)上并不存在顏色這個特征，色光之間的差異只是頻率不同罷了，我們是以人眼所感知到的頻率為基準劃分色光的。

顏色包含色相、明度和飽和度（純度）三個要素。色相用來區(qū)別不同的顏色，由射入人眼的光線的光譜決定，不同的物體擁有不同的光譜特征，單色光的色相完全取決于光的頻率。明度表示顏色的明暗程度，由光線的強弱決定，明度的變化通常會影響到顏色的純度。純度表示顏色的深淺，或者說鮮艷程度，與光譜中單色光的占比有關。當飽和度為0，就成為黑白色了。       

決定物體顏色的因素是什么？

物體的顏色取決于光源和物體這兩者。

不同的光源具有不同的光譜，自然界中最常見的光源就是太陽光了，太陽光是由多種色光混合而成的，從大氣層外看起來是白色的。當光照射到物體上時，會被物體吸收、反射和透射（包括散射和折射）。

上圖清晰的表示了反射、折射、散射三者之間的區(qū)別。

反射發(fā)生于物體的表面或兩種介質(zhì)的分界面，分為鏡面反射和漫反射，客觀世界中幾乎都是漫反射。

自然界中的物體幾乎都能夠反光，物體的顏色就由該物體所反射的色光決定。不同物體具有不同的特性，會選擇性的吸收或者反射色光，我們通常將物體在陽光下看到的顏色稱之為物體的固有色。一個紅色的物體，就是因為它幾乎只能反射紅光，其余的色光都被該物體吸收了。幾乎能夠反射所有色光的物體看起來是白色的，幾乎能夠吸收所有色光的物體看起來是黑色的。如果一束紅光照射到綠葉上面，由于綠葉只能反射綠光，那么它看起來就是黑色的。

光在透明或者半透明的介質(zhì)中傳播時，屬于透射。在這個過程中，光與媒介物的粒子發(fā)生碰撞，光的傳播路徑會發(fā)生改變。如果介質(zhì)是均勻的，則會發(fā)生折射；如果介質(zhì)不均勻，則會發(fā)生散射。從微觀角度來看，散射可以看做是光被無數(shù)微粒反射到四面八方。

上圖展示了光在散射過程中的傳播路徑。

透明與不透明是相對的。當光穿過的介質(zhì)很薄時，只有一小部分光會被吸收，一些不透明的物體也會變得透明。比如，在手電筒照射下，一本書是不透明的，而書中的一頁紙卻是透明的。對于那些透明的物體，它們的顏色則由其所能透過的色光決定。

天空和云的顏色是如何形成的？

在白天，人能夠看見這個世界，是因為存在陽光。太空空蕩蕩的，沒有什么可以反光的物體，因此看上去一片黑暗，只能看見一些發(fā)光或者反光的天體。

陽光照射到地球表面，使我們感受到溫暖，促進萬物生長。陽光在到達地面之前，會先穿過大氣層和云層。

人們生活在地球表面，地球表面被1000多公里厚的大氣層籠罩著，大氣具有很好的透光性，是一種混合物，主要由78%的氮氣和21%的氧氣構(gòu)成，并且在重力的作用下，海拔越高，密度越低。云是由水蒸氣冷卻后形成的小水滴和小冰晶形成的，懸浮在上千米的高空中，介于半透明狀態(tài)。這兩種介質(zhì)都是不均勻的，必然會發(fā)生散射現(xiàn)象。

天空的顏色與瑞利散射有關。大氣分子的直徑小于1納米，可見光的波長在400納米以上，當透明物質(zhì)粒子的尺度小于光波長的1/10時，陽光在穿過大氣時就會發(fā)生瑞利散射（又叫做分子散射）。瑞利散射的散射強度與波長的4次方成反比，即光的波長越短，散射越強。

太陽光屬于復合光，可以分解為紅橙黃綠藍靛紫7種色光，其中紫光的波長最短。在大氣分子的作用下，波長較短的光被更多地散射至整個天空，紫色光和靛色光在高空中被率先散射，地面上的人很難看到，并且人眼對波長較短的藍光更加敏感，所以整個天空看起來就是藍色的。如果沒有散射，天空將一片黑暗，比如月球上的天空。海水為什么是藍的，也與瑞利散射有一定的關系。

如果沒有大氣的干擾，太陽看起來是白色的。當太陽斜射，陽光要穿過更厚、密度更大的大氣，波長較短的光大多被散射了，陽光到達人眼時，紅光占比最大，所以早上或者傍晚時分看到的太陽偏紅。紅色的指示燈在大霧里更容易被人看見，也是這個原理。

云的顏色與米氏散射有關。當微粒的直徑與波長相當時，就會發(fā)米氏散射，散射強度與光波長的二次方成反比。相對于瑞利散射，米氏散射的強度要弱很多。云層本身比較薄，當陽光穿過云層時，各種色光的散射強度相差不大，所以云看起來就是白色的。當云層較厚時，陽光幾乎不能照射下來，云便呈現(xiàn)出灰色。

下圖為微粒尺寸與散射強度的關系。

總結(jié)起來，天空的顏色與瑞利散射有關，而云的顏色主要與米氏散射有關。至于彩云的形成，則是兩者共同的作用。彩色的云霞一般出現(xiàn)于晴朗的清晨或傍晚，早晨的被稱之為朝霞，傍晚的被稱之為晚霞或火燒云。