綠水青山，藍天白雲，色彩使這個世界更加美麗。人眼有感知色彩的能力，因此能夠欣賞到這色彩繽紛的世界。天空通常是藍色的，雲通常是白色的，那麼它們為什麼是這種顏色呢？為什麼天空不能是綠色的，雲不能是藍色的？
不管是湛藍色的天空，還是潔白的雲朵，或者是美麗的彩霞，它們都是發生於大氣層中的光學現象，陽光、大氣和雲一起交織出一幅美麗的畫卷。
人眼是如何看到顏色的？
人們是靠眼睛發現世界之美的。當外界的光線投射到眼睛中的視網膜上，人類才能觀察到這個世界。除了發光物體，不發光的物體能夠反射光線，所以才能被我們看見。
人眼視網膜內存在兩種類型的感光細胞：視錐細胞和視杆細胞。視細胞能夠將光學信號轉化為電信號，人腦中掌管視覺的區域接收到這種電信號，便能在大腦中生看見的景象。人眼視網膜中大約包含1.2億個視杆細胞，它主要負責分辨明暗程度及動態信息；人眼視網膜中大約有700萬個視錐細胞，它主要負責感知顏色和強光。研究表明，人眼有三種視錐細胞，能夠辨識紅綠藍這三種顏色。至於紅綠藍之外的顏色，這些色光的頻率能夠引起兩種及以上的視錐細胞產生不同程度的刺激，於是便在腦中形成了不同的色覺。
如果眼睛中沒有感知顏色的細胞，看到的世界就是黑白的。由於基因缺陷，一些人天生色盲，色盲眼中的世界會缺失某一種顏色，全色盲患者只能看到黑白世界。而對於某些具有4種視錐細胞的動物來說，它們眼中世界的色彩更加豐富，能感知到人眼感知不到的細節。
顏色的本質
光本質上是電磁波，且具有粒子和波的雙重屬性。光在傳播過程中，因為介質影響，會發生反射、折射、散射等現象。人眼能夠看到的光的波長大約在400~760納米之間，稱作可見光。雖然人眼中的感光細胞理論上能夠識別1600萬種顏色，但我們人只能明確分辨出上百種顏色。
下圖為不同色光對應的波長。
在17世紀，偉大的物理學家牛頓對光進行了深入的研究。牛頓研究太陽光時發現，太陽光穿過三稜鏡後會形成光譜，這表明陽光（可見光）是由多種單色光組成的複合光（白光）。暴雨過後，空氣中會懸浮著小水滴，這些小水滴就相當於三稜鏡，可以將陽光分解成七色光。雨過天晴後不久，當適當高度的空中懸浮著較多的小水滴時，從地面上的特定角度就能看見彩虹。陽光通過三稜鏡後會發生色散，是因為不同頻率的光的折射率不同。在可見光中，紅光頻率低，折射率小；紫光頻率高，折射率大。
不同顏色的光對應著不同的頻率。理論上來講，自然界中存在無限多種顏色。其實，光本質上並不存在顏色這個特徵，色光之間的差異只是頻率不同罷了，我們是以人眼所感知到的頻率為基準劃分色光的。
顏色包含色相、明度和飽和度（純度）三個要素。色相用來區別不同的顏色，由射入人眼的光線的光譜決定，不同的物體擁有不同的光譜特徵，單色光的色相完全取決於光的頻率。明度表示顏色的明暗程度，由光線的強弱決定，明度的變化通常會影響到顏色的純度。純度表示顏色的深淺，或者說鮮豔程度，與光譜中單色光的佔比有關。當飽和度為0，就成為黑白色了。
決定物體顏色的因素是什麼？
物體的顏色取決於光源和物體這兩者。
不同的光源具有不同的光譜，自然界中最常見的光源就是太陽光了，太陽光是由多種色光混合而成的，從大氣層外看起來是白色的。當光照射到物體上時，會被物體吸收、反射和透射（包括散射和折射）。
上圖清晰的表示了反射、折射、散射三者之間的區別。
反射發生於物體的表面或兩種介質的分界面，分為鏡面反射和漫反射，客觀世界中幾乎都是漫反射。
自然界中的物體幾乎都能夠反光，物體的顏色就由該物體所反射的色光決定。不同物體具有不同的特性，會選擇性的吸收或者反射色光，我們通常將物體在陽光下看到的顏色稱之為物體的固有色。一個紅色的物體，就是因為它幾乎只能反射紅光，其餘的色光都被該物體吸收了。幾乎能夠反射所有色光的物體看起來是白色的，幾乎能夠吸收所有色光的物體看起來是黑色的。如果一束紅光照射到綠葉上面，由於綠葉只能反射綠光，那麼它看起來就是黑色的。
光在透明或者半透明的介質中傳播時，屬於透射。在這個過程中，光與媒介物的粒子發生碰撞，光的傳播路徑會發生改變。如果介質是均勻的，則會發生折射；如果介質不均勻，則會發生散射。從微觀角度來看，散射可以看做是光被無數微粒反射到四面八方。
上圖展示了光在散射過程中的傳播路徑。
透明與不透明是相對的。當光穿過的介質很薄時，只有一小部分光會被吸收，一些不透明的物體也會變得透明。比如，在手電筒照射下，一本書是不透明的，而書中的一頁紙卻是透明的。對於那些透明的物體，它們的顏色則由其所能透過的色光決定。
天空和雲的顏色是如何形成的？
在白天，人能夠看見這個世界，是因為存在陽光。太空空蕩蕩的，沒有什麼可以反光的物體，因此看上去一片黑暗，只能看見一些發光或者反光的天體。
陽光照射到地球表面，使我們感受到溫暖，促進萬物生長。陽光在到達地面之前，會先穿過大氣層和雲層。
人們生活在地球表面，地球表面被1000多公裡厚的大氣層籠罩著，大氣具有很好的透光性，是一種混合物，主要78%的氮氣和21%的氧氣構成，並且在重力的作用下，海拔越高，密度越低。雲是由水蒸氣冷卻後形成的小水滴和小冰晶形成的，懸浮在上千米的高空中，介於半透明狀態。這兩種介質都是不均勻的，必然會發生散射現象。
天空的顏色與瑞利散射有關。大氣分子的直徑小於1納米，可見光的波長在400納米以上，當透明物質粒子的尺度小於光波長的1/10時，陽光在穿過大氣時就會發生瑞利散射（又叫做分子散射）。瑞利散射的散射強度與波長的4次方成反比，即光的波長越短，散射越強。
太陽光屬於複合光，可以分解為紅橙黃綠藍靛紫7種色光，其中紫光的波長最短。在大氣分子的作用下，波長較短的光被更多地散射至整個天空，紫色光和靛色光在高空中被率先散射，地面上的人很難看到，並且人眼對波長較短的藍光更加敏感，所以整個天空看起來就是藍色的。如果沒有散射，天空將一片黑暗，比如月球上的天空。海水為什麼是藍的，也與瑞利散射有一定的關係。
如果沒有大氣的幹擾，太陽看起來是白色的。當太陽斜射，陽光要穿過更厚、密度更大的大氣，波長較短的光大多被散射了，陽光到達人眼時，紅光佔比最大，所以早上或者傍晚時分看到的太陽偏紅。紅色的指示燈在大霧裡更容易被人看見，也是這個原理。
雲的顏色與米氏散射有關。當微粒的直徑與波長相當時，就會發米氏散射，散射強度與光波長的二次方成反比。相對於瑞利散射，米氏散射的強度要弱很多。雲層本身比較薄，當陽光穿過雲層時，各種色光的散射強度相差不大，所以雲看起來就是白色的。當雲層較厚時，陽光幾乎不能照射下來，雲便呈現出灰色。
下圖為微粒尺寸與散射強度的關係。
總結起來，天空的顏色與瑞利散射有關，而雲的顏色主要與米氏散射有關。至於彩雲的形成，則是兩者共同的作用。彩色的雲霞一般出現于晴朗的清晨或傍晚，早晨的被稱之為朝霞，傍晚的被稱之為晚霞或火燒雲。
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