为什么有时候天空中的云朵会有比较清晰的边界？

知乎日报 · 公众号 · 问答 · 2025-03-12 21:00

正文

这个说法其实很不全面：

因此「饱合蒸汽压」可以解释云/雨/雾的存在，但无法解释为什么云朵可以保持相对锐利的边缘，也无法解释为什么一些有液滴的地方云并不存在。

事实上，白色云朵的锐利边缘主要是因为一种光学现象：米氏散射，可以用粒子辐射强度公式表达如下。

观察者在距离 R、散射角 θ、波长 λ 处看到的折射率为 n、直径为 d 的粒子的散射强度为：

截屏2025-03-12 17.19.14.png

这就已经阐释了这个问题的答案。下面我尝试用不严谨但更通俗易懂的方式来回答这个问题。

在展开解释为什么云朵会有锐利的边缘前，有几个前提必须说明：

通常，在肉眼可见的范围内，天空中液滴尺寸的分布其实是相当均匀的，只是在大尺度上可以看出有些地方的液滴稍大一点点，有些地方稍小一点点。

用热力图表示大范围内的液滴尺寸分布可能是类似于这样的：

由于热力学驱动的自由扩散，液滴尺寸的变化通常是很平缓的，并没有可见的锐利边缘。同时，由于自然条件的原因，在较大尺度范围内，这个液滴尺寸的分布也会保持相对稳定或缓慢变化。

但米氏散射有一个特性：随着液滴尺寸逐步从小到大变化，米氏散射从视觉不可见变到视觉可见是突变的（见上文辐射强度公式最后一项的 6 次方）。

下面是一个制作的示意图用于说明这个现象：

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