白云和烏云都是由小水滴組成的.瑞利定律對小水滴不適用,因為該定律是以氣體分子的二次發(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”方面會有些差別,但“含水量”的提法是有點含糊的,詞不達意.它可以被理解為整個云朵的含水量,也可以被理解為單個水滴的含水量.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,夏日巨大的白云團能在一瞬間變成翻滾的烏云團,這就不能用含水量來解釋了.如果“含水量”是指“單個水滴的含水量”,那就準確了.
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,藍天背景能在我目不轉(zhuǎn)睛的幾分鐘里由藍色變成粉藍色,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飽和狀態(tài)和過飽和狀態(tài)；高空總會有一些灰塵,成為凝聚中心,使飽和蒸汽和過飽和蒸汽凝成細小的霧滴；霧滴足夠密集時,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”?夏日白云團在一瞬間變成烏云團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,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,這是因為大水滴和小水滴對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,我們就能利用“亮度”來對白云和烏云作定量的比較.
就單個水滴來說,散射光在特定方向上的通量與入射光的通量之比應當是一個常數(shù),與水滴的大小無關(guān).但就整個云團來說,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,那么單個水滴的散射截面就應當擴大為原來的 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,如果白云團中的水滴是屬于微米級,烏云云團中的水滴是屬于亞毫米級（即100微米）,那么白云的亮度就應當是烏云的100倍.