青山蓝天白云，色彩让世界更加美好。人眼有感知颜色的能力，所以能欣赏这个五彩缤纷的世界。天空通常是蓝色的，云通常是白色的，那么它们为什么是这个颜色呢？为什么天不能绿，云不能蓝？

无论是蓝天、白云还是美丽的彩霞，都是发生在大气中的光学现象。阳光、大气和云彩交织在一起，构成了一幅美丽的画面。

人眼是如何看到颜色的？

人用眼睛发现世界的美好。只有外界的光线投射到眼睛里的视网膜上，人类才能观察到这个世界。除了发光的物体，不发光的物体是可以反射光线的，所以可以被我们看到。

人类视网膜中有两种类型的感光细胞：视锥细胞和视杆细胞。视觉细胞可以将光信号转化为电信号，当大脑中的视觉区接收到这个电信号时，就可以在大脑中生成一个视觉场景。人的视网膜包含约1.2亿个视杆细胞，主要负责分辨亮度和动态信息；人类视网膜中大约有700万个视锥细胞，主要负责感知颜色和强光。研究表明，人眼有三种视锥细胞，可以分辨红、绿、蓝。至于红绿蓝以外的颜色，这些颜色的频率可以引起两个或两个以上的视锥细胞不同程度的刺激，因此在大脑中形成不同的色觉。

如果眼睛里没有颜色感知细胞，你看到的世界就是黑白的。由于基因缺陷，有些人生来就是色盲，色盲眼中的世界会缺少某种颜色。色盲患者只能看到黑白世界。对于一些拥有四种视锥细胞的动物来说，它们眼中的世界色彩更加丰富，能够感知人眼无法感知的细节。

颜色的本质

光本质上是电磁波，具有粒子和波的双重属性。在光的传播过程中，由于介质的影响，会发生反射、折射和散射。人眼能看到的光的波长约为400~760纳米，称为可见光。虽然人类眼睛中的感光细胞理论上可以识别1600万种颜色，但我们只能清晰地区分数百种颜色。

下图显示了不同颜色光对应的波长。

17世纪，伟大的物理学家牛顿对光进行了深入的研究。牛顿在研究太阳光时，发现太阳光通过棱镜后会形成光谱，这表明太阳光(可见光)是由各种单色光组成的合成光(白光)。暴雨过后，会有小水滴悬浮在空中，相当于一个棱镜，可以把太阳光分解成七种颜色的光。雨过天晴后不久，当有许多小水滴悬浮在适当高度的空中时，在地面上就可以从特定的角度看到彩虹。太阳光通过棱镜后会发生色散，因为不同频率的光折射率不同。在可见光中，红光频率低，折射率低；紫光频率高，折射率大。

不同颜色的光对应不同的频率。理论上，自然界有无限种颜色。其实光并没有颜色的特性，色光的区别只是频率而已。我们根据人眼感知的频率来划分彩色光。

色彩包括色调、明度和饱和度(纯度)。色相是用来区分不同颜色的，是由进入人眼的光的光谱决定的。不同的物体有不同的光谱特性，单色光的色调完全取决于光的频率。亮度表示颜色的亮度，由光的强度决定。明度的变化通常会影响颜色的纯度。纯度表示颜色的深度或亮度，它与光谱中单色光的比例有关。饱和度为0时，变为黑白。

物体的颜色取决于光源和物体。

不同的光源有不同的光谱。自然界中最常见的光源是阳光，它是各种颜色的混合，从大气层外看起来是白色的。当光线照射到物体上时，会被物体吸收、反射和透射(包括散射和折射)。

上图清楚地显示了反射、折射和散射的区别。

反射发生在物体表面或两种介质的界面上，分为镜面反射和漫反射，在客观世界中几乎都是漫反射。

自然界中几乎所有的物体都可以反射光，物体的颜色是由物体反射的色光决定的。不同的物体有不同的特性，会选择性地吸收或反射有色光。我们通常把物体在阳光下看到的颜色称为物体的固有颜色。一个红色的物体只能反射红光，其余的色光被物体吸收。几乎能反射所有颜色光的物体看起来是白色的，而几乎能吸收所有颜色光的物体看起来是黑色的。如果一束红光照射在绿叶上，它看起来是黑色的，因为绿叶只能反射绿光。

光在透明或半透明介质中传播时，属于透射。在这个过程中，光与介质的粒子发生碰撞，光的传播路径会发生变化。如果介质是均匀的，就会发生折射；如果介质不均匀，就会发生散射。从微观的角度来看，散射可以看作是无数粒子向各个方向反射的光。

上图是光在散射过程中的传播路径。

透明和不透明是相对的。当光通过的介质很薄时，只有一小部分光会被吸收，一些不透明的物体会变得透明。比如手电筒下，一本书是不透明的，但书中的一页是透明的。对于那些透明的物体，它们的颜色是由它们所能透射的有色光决定的。

在白天，人们可以看到这个世界，因为有阳光。空得没有什么可以反射的东西，所以看起来很暗，只能看到一些发光或者反光的天体。

阳光照射在地球表面，让我们感到温暖，促进万物生长。阳光在到达地面之前会穿过大气层和云层。

人们生活在地球表面，地球表面被超过1000公里厚的大气层所笼罩。大气透光性好，是一种混合物，主要由78%的氮气和21%的氧气组成。在重力的作用下，海拔越高，密度越低。云是小水滴和水蒸气冷却形成的冰。

晶形成的，悬浮在上千米的高空中，介于半透明状态。这两种介质都是不均匀的，必然会发生散射现象。

天空的颜色与瑞利散射有关。大气分子的直径小于1纳米，可见光的波长在400纳米以上，当透明物质粒子的尺度小于光波长的1/10时，阳光在穿过大气时就会发生瑞利散射（又叫做分子散射）。瑞利散射的散射强度与波长的4次方成反比，即光的波长越短，散射越强。

太阳光属于复合光，可以分解为红橙黄绿蓝靛紫7种色光，其中紫光的波长最短。在大气分子的作用下，波长较短的光被更多地散射至整个天空，紫色光和靛色光在高空中被率先散射，地面上的人很难看到，并且人眼对波长较短的蓝光更加敏感，所以整个天空看起来就是蓝色的。如果没有散射，天空将一片黑暗，比如月球上的天空。海水为什么是蓝的，也与瑞利散射有一定的关系。

如果没有大气的干扰，太阳看起来是白色的。当太阳斜射，阳光要穿过更厚、密度更大的大气，波长较短的光大多被散射了，阳光到达人眼时，红光占比最大，所以早上或者傍晚时分看到的太阳偏红。红色的指示灯在大雾里更容易被人看见，也是这个原理。

云的颜色与米氏散射有关。当微粒的直径与波长相当时，就会发米氏散射，散射强度与光波长的二次方成反比。相对于瑞利散射，米氏散射的强度要弱很多。云层本身比较薄，当阳光穿过云层时，各种色光的散射强度相差不大，所以云看起来就是白色的。当云层较厚时，阳光几乎不能照射下来，云便呈现出灰色。

下图为微粒尺寸与散射强度的关系。

总结起来，天空的颜色与瑞利散射有关，而云的颜色主要与米氏散射有关。至于彩云的形成，则是两者共同的作用。彩色的云霞一般出现于晴朗的清晨或傍晚，早晨的被称之为朝霞，傍晚的被称之为晚霞或火烧云。