大自然的藝術傑作-彩雲

真相追追追

白雲變「彩虹」民眾嘖嘖稱奇圍觀

這則新聞中的彩雲色澤由上而下分別是紅橙黃綠,所以它屬於先前這篇的《火彩虹》,也就是下則影片最下方的46°暈“環地平弧”之一部分

如果彩雲色澤並非紅→橙→黃→綠,而是如同這篇文章最上面的精選圖片,呈現出不規則變化的色調,這就是彩雲(Cloud iridescence)。

它可以形成於積雨雲上方的盔雲中↓

或是新形成的薄雲內

甚至是噴射機剛好經過薄雲附近時

在了解彩雲的形成機制之前,先來認識一下「瑞利散射」與「米式散射」。瑞利散射適用於尺寸遠小於光(或其他電磁波)波長的微小顆粒(ex.氣體分子),散射光強度則與入射光波長的四次方成反比。夕陽的顏色會偏紅,這是因為早、晚的陽光與中午的陽光穿過大氣層的距離不同。光在空氣中傳播時,由於空氣分子會發生瑞利散射,波長越短,散射程度越大,藍紫光被散射較多,因此天空呈現藍色(人眼的錐細胞對紫光不敏感),而直射光顏色則偏紅。中午的陽光穿過空氣的路程約10公里,各種波長光的散射損耗都不大。而黎明與黃昏的陽光穿過空氣的路程卻可達290公里,因此散射損耗相當嚴重,其中又以短波長的光更明顯。因此夕陽中的藍紫光幾乎全部損失,而所看到的太陽就是橙紅色的了。

至於米氏散射則是在粒徑等於或大於波長時所發生,因此大小約數十微米的灰塵或是雲霧水滴均屬於米氏散射。由於米氏散射之散射光強度與入射光波長無關,這也是白雲或是牛奶之所以呈現白色的原因。

回來看彩雲形成的機制:若以積雨雲上方的帽雲為例,當積雨雲向上發展時,會將其上方的空氣往上越推越高。由於高空處的氣壓低,因此這一團被向上推的空氣就會膨脹,由於絕熱膨脹會導致冷卻效應,這時空氣中的水氣就會突然凝結成微小的液滴而形成一頂盔狀雲。因為剛凝結的水滴粒徑很小,隨著團簇現象有越來越多的水在其上凝結(或凝固),造成液滴(或冰晶)變得越來越大。因此其散射的特性就會從瑞利散射往米式散射的方向發展,於是在過渡階段就會依粒徑的變化而散射出不同的色光

而這也是彩雲常見於新生的薄雲或雲層邊緣的原因

或者是為何總是發生在距離噴射機尾端較近區域的緣故,因為遠處的水滴或冰晶的粒徑太大,那裏已經是屬於米氏散射的範圍了

最後來看看中文維基條目「彩雲」的解釋:彩雲的形成為一種繞射現象,其雲彩為大型日華的片段,但比例過小,無法觀察出圓弧

如果這裡的彩雲是指“環地平弧”之一部分,那麼第一句的「繞射」應改為「折射」;若是指積雨雲上方的盔雲或是新生薄雲,那麼整句都錯誤,應該是「散射」才正確^^。

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延伸閱讀

Aerodynamic formation of condensation trails