自然现象：天下雨时为何是乌云？

白云和乌云都是由小水滴组成的。瑞利定律对小水滴不适用，因为该定律是以气体分子的二次发射为依据的，而小水滴是比纳米粒子还要大的无色透明的球透镜。它的所谓“散射光”实际上是反射光以及经过几次折射后的透射光。 白云和乌云在“含水量”方面会有些差别，但“含水量”的提法是有点含糊的，词不达意。它可以被理解为整个云朵的含水量，也可以被理解为单个水滴的含水量。这两种理解都有一定根据。乌云能布满整个天空，白云却做不到。由此可见，就总趋势来说，乌云的含水量一般大于白云。但是，天空里的一丝云既可以是白云又可以是乌云，大片的云也有“白”、“乌”两种可能性，夏日巨大的白云团能在一瞬间变成翻滚的乌云团，这就不能用含水量来解释了。如果“含水量”是指“单个水滴的含水量”，那就准确了。 从云的形成过程来看，乌云如果不是从别处飘来的，那就必定是由白云变来的。白云则不同，它除了可以从别处飘来或是由乌云变来以外，还可以在万里晴空的背景上突然“创生”。我在研究太阳能问题期间曾非常留意天空中云情的变化，多次看到，蓝天背景能在我目不转睛的几分钟里由蓝色变成粉蓝色，再变成边缘模糊的淡淡的白云片以至变成有清晰边缘的白云朵。从未见过乌云能从蓝天背景上突然冒出来。我还注意到：白云变成乌云多半是在雨前，乌云变成白云多半是在雨后。对此类现象的解释是：夏日地表水在烈日下迅速蒸发，使空气湿度越来越大；高空的温度低于地表温度，因而水蒸气首先在高空到达饱和状态和过饱和状态；高空总会有一些灰尘，成为凝聚中心，使饱和蒸汽和过饱和蒸汽凝成细小的雾滴；雾滴足够密集时，就成为肉眼可见的白云；雾滴越来越大，白云就变成为乌云；乌云中的水滴继续变大，就变成雨滴；雨后空气的湿度变小，水蒸气重新回到不饱和的状态，乌云中的小水滴开始蒸发，体积越来越小，这样就使乌云变成白云；白云中的雾滴继续不断地蒸发，一旦全部汽化，白云就消失了，重新露出青天。 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。