有人可以分析一下廷德尔散射导致的“蓝天”和“红太阳”问题

问题:为什么是白云和乌云？为什么天空是蓝色的，太阳是红色的(根据韦恩定律，绿色部分辐射最强)？燃烧的香烟的烟圈是蓝色的，为什么我吐出的烟圈是白色的？

权威回答:○有瑞利散射，廷德尔散射，拉曼散射。

“蓝天”和“红日”的问题属于瑞利散射，散射中心是气体分子，其大小比光波波长小三个数量级。

“白云”和“乌云”的问题属于廷德尔散射，散射中心是透明的液滴，其大小大多在微米和亚毫米之间，即接近光波的波长，或比后者大1 ~ 2个数量级。

“蓝烟”和“白烟”也属于廷德尔散射范畴，散射中心主要是不透明尘埃。

太阳的真实颜色既不是红色也不是绿色，而是白色。维恩定律揭示了黑体辐射光谱中最强的单色分量与温度的对应关系，而不是说多色光引起的色觉是由最强的单色分量决定的。

“白”是多色光的综合效果，是一种视觉效果。视觉意义上的多色光的“颜色”是一种主观感受，与纯粹客观的单色光的“颜色”没有必然联系。彩电屏幕可以显示黄、橙、紫等“视觉单色”，但这些颜色实际上根本不含黄、橙、紫的单色成分，都是由红、蓝、绿三种单色成分按适当比例组合而成的具有单色视觉效果的“三色光”。

○瑞利定律(散射光的强度与波长的四次方成反比)专门针对分子散射。用瑞利定律不难证明，白光散射后，散射光中蓝光(约0.45微米)的强度是红光(约0.65微米)的4 ~ 6倍。

在白天，除了早晨和黄昏，人们视野中的大气基本上都是被白光照亮的。晴天天空发出的光是空气分子的散射光，其中蓝色、靛蓝色和紫色约占80%。靛蓝和紫色在阳光中不是很重要，所以天空是蓝色的。

从早上8点到下午4点，太阳直射光的散射部分可以忽略不计。如果有哪个傻子愿意用肉眼直视太阳，那么他看到的一定是一个白色的圆盘，而不是“红太阳”。但是在日出和日落时，人们真正看到的太阳是红色的。这是因为此时的直射光要以几乎与地面相切的方向穿过浓密的大气很长一段距离。直射光中每个单色分量都呈指数衰减，短波分量迅速消失。最后自然是红光占优。

虽然日出日落时的直射光是红色的，但夕阳下的白墙不是红色的，而是橙色的。这是因为墙壁不仅接收红色直射光，还接收来自天空的散射光。此时，大气和云层并不散射白光，而是散射已经被浓密的大气过滤掉的以黄色和橙色为主的直射光。散射光源虽然亮度远不如直射光源，但面积却比直射光源大得多。

○白云和乌云都是由小水滴组成的。瑞利定律不适用于水滴，因为它是基于气体分子的二次发射，水滴是比纳米粒子大的无色透明的球形透镜。它所谓的“散射光”，其实就是经过几次折射后的反射光和透射光。

白云和乌云在“含水量”方面会有一些区别，但“含水量”的提法有点模糊，用词也不尽如人意。可以理解为整片云的含水量，也可以理解为单个水滴的含水量。这两种认识都有一定的依据。乌云可以遮住整个天空，白云不行。因此，就大趋势而言，乌云的含水量一般大于白云。但是，天上的一朵云可以既是白云也是乌云，一大片云也可以是“白”也可以是“黑”。夏天巨大的白云可以瞬间变成滚滚的乌云，不是含水量可以解释的。如果“含水量”是指“单滴的含水量”，那就是准确的。

从云的形成过程来看，如果不是从其他地方飘来的，那么乌云一定是来自白云。而白云，不仅可以从别的地方飘来，也可以由乌云变化而来，还可以在万里晴空的背景上突然“创造”出来。在我研究太阳能的过程中，我非常注意天空中云的情况变化。我见过很多次，蓝天背景可以在几分钟内从蓝色变成粉蓝色，再变成边缘模糊的淡淡白云，甚至变成边缘清晰的白云。我从未见过蓝天背景下突然冒出乌云。我还注意到，白云变成乌云大多是在下雨之前，乌云变成白云大多是在下雨之后。对这一现象的解释如下:夏季，地表水分在烈日下蒸发迅速，使空气湿度越来越高；高空温度低于地表温度，所以水汽在高空首先达到饱和和过饱和；天空中总会有一些尘埃，成为凝结中心，使饱和蒸汽和过饱和蒸汽凝结成细小的水滴；当雾滴足够密集时，就变成了肉眼可见的白云；随着雾滴越来越大，白云变成了乌云；乌云中的水滴继续变大，变成雨滴；雨后，空气的湿度变小，水汽回到不饱和状态，乌云中的小水滴开始蒸发，变得越来越小，从而把乌云变成了白云；白云中的水滴继续蒸发。一旦它们全部蒸发，白云消失，天空重新露出来。

白云为什么是“白”的？乌云为什么是“黑”的？夏天的白云瞬间变成乌云的例子最能说明问题。在这次突变中，总水量和太阳光的投射角度基本保持不变，显眼的变化是“由白变黑”。这种事情总是在雷雨即将来临的时候发生，说明“由白变黑”是水滴“由小到大”的结果，乌云不是沉闷的“黑云”，而是明亮的，它们的散射光其实就是白光，从光谱上看和白云的散射光没有区别。这是因为大水滴和小水滴对于可见光都是无色透明的球面透镜，散射光的颜色是由入射光的颜色决定的。一旦明确了这一点，我们就可以用“亮度”来对白云和乌云进行定量的比较。

对于单个水滴，特定方向的散射光通量与入射光通量之比应该是一个常数，与水滴的大小无关。但就整个云团而言，散射光总通量与入射光总通量之比并不是常数。单个水滴的散射截面与线性的平方成正比，体积和质量与线性的立方成正比。这就意味着，如果水滴半径增加一倍，单个水滴的散射截面要扩大到4倍，而水滴总数减少到1/8，也就是说总散射截面是原来的一半。这样，如果白云中的水滴属于微米级，乌云中的水滴属于亚毫米级(即100微米)，那么白云的亮度应该是乌云的100倍。

“蓝烟”和“白烟”的散射光主要来自有色的、不透明的固体颗粒，而烟的颜色是由固体颗粒的颜色决定的，不仅包括“蓝烟”和“白烟”，还包括“黑烟”、“红烟”、“黄烟”，这些其实都是固体颗粒的本色。

卷烟烟圈成分复杂，既有固体碳粒，也有焦油、尼古丁等物质组成的液滴。综合效果就是让烟色接近白色浅蓝色。人体呼吸道内的水蒸气通常是饱和的。香烟烟雾颗粒进入呼吸道后，会成为水蒸气的凝结中心。薄薄的一层水会过滤掉一些蓝色成分。口中的烟雾不仅来自香烟，还来自人体提供的未被烟雾颗粒吸收的饱和水蒸气。室温通常低于体温。一旦气温下降，饱和的水汽就会处于过饱和状态，很容易凝结成雾滴(这种情况在冬天特别明显)，类似于白云。