出品：科学大院
作者：王铮（中国科学院国家空间科学中心）
监制：中国科学院计算机网络信息中心中国科普博览
“白云一片去悠悠，青枫浦上不胜愁”，晴朗的天空上漂浮的是白色的云；“黑云翻墨未遮山，白雨跳珠乱入船”，出现在阴天的则是乌云、黑云。但是，你见过蓝色的云吗？
这可不是天方夜谭，现实中确实存在蓝色的云，学名被称为“夜光云”（Noctilucent Cloud），通常出现在地球大气较高的高度，所以已经脱离了气象学研究的范围，而是到了空间物理学、太空科学研究的范围。
云的颜色是怎么来的？
曾经的Windows XP系统经典的蓝天白云桌面，我们许多人都很熟悉，它拍摄的是美国加州索诺马县的风景，放晴的天空飘浮着几片不规则的积云（由低层空气对流作用使水汽凝结或在冬季凝华而形成的云，顶部凸起，云底平坦），洁白无瑕。
像Windows桌面图片这样我们平时看到、说到的云，风雨雷电所相关的白云和乌云，是小水滴和空气中的粉尘组成的，高度大约在10千米以下，是较低高度大气（称为对流层）中的云。这些云的颜色是怎么形成的呢？这就不得不提到两种光学现象——瑞利散射和迈以散射。
照向地球的阳光由多种颜色的光组成，综合来看是白色的，如果空气中颗粒的尺度比太阳光的波长小，就会发生瑞利散射，并且不同波长散射不同。天空就是因为对蓝色光的散射效应比对红色光的强，才会看上去是蓝色的；而云的颗粒较大，其直径比太阳光中任何一种颜色的光的波长都要长得多，所以很少发生瑞利散射。
既然如此，那阳光在经过云层时会发生什么呢？原来，云层会把一部分阳光反射到天上；一部分发生被称为迈以散射的效应（这种散射不会改变光的波长，它到达地面看上去还是白色的光）；还有一部分直接穿透云层到达地面。由于这3种情况都对阳光的成分没有影响，所以我们通常看到的云就是白色的了。
不过，当云层越来越厚时，小水滴越来越多，几乎连成一片，直射的太阳光和经过迈以射散的光不能、或者很少能穿透云层，这时白云就变成乌云了。
蓝色的云又是怎么回事？
蓝色的云——夜光云，又名夜间云或极地中间层云，国内外百科词条给出的普遍定义是深曙暮期间出现于地球高纬度地区高空的一种发光而透明的波状云。
夜光云所处的高度非常高，它是位置最高的云，位于地球大气的中间层（mesosphere），高度在76千米至85千米。这个高度比飞机飞行的高度还要高好几倍。在这里由于重力很弱，大气非常稀薄，所以夜光云通常很暗淡而难以看见。
夜光云看起来有点像卷云，但比它薄得多，而且颜色为明亮的银白色或蓝色，云面积可达300万平方千米。它只有当太阳在地平线以下6°～12°时，即日落之后、日出之前最昏暗的时间段，低层大气在地球阴影内，而高层大气的夜光云被日光照射时，才能用肉眼直接观察到。如果观察时间太早会因为其太薄而看不见，而太迟了它也会落到地球的阴影之中去。夜光云通常可以存在从几分钟到几个小时不等。
之所以要在太阳在地平线以下6°～12°时进行观察，就是因为这时候阳光通过折射是从地平线下渗入的，而大气层平时比较亮的低层已经处在黑影之中，这时候能看到的是强夜光云，它的亮度相当于国际二级极光亮度，而弱夜光云一般用肉眼看不见，只有用紫外或红外光学仪器观察。
夜光云经常被飞行中的飞行器，或者从国际空间站进行拍摄。夜光云在北半球和南半球均清晰可见，分别在春末和夏初季节达到观测最佳时期。
下图是从国际空间站看到的夜光云。为了能显示暗淡的云层顶部，地球的地平线被有意地进行了过度曝光，顶部与地平线平行的近乎透明的淡蓝色线就是夜光云。
夜光云是如何形成的？
夜光云为什么呈现出与白云、乌云不同的蓝色呢？因为夜光云中较小的冰晶颗粒都散落在较短波长可见光（蓝色）附近，而不是长波长可见光（红色）。所以从地面的角度看，当一束太阳光照射在夜光云上，我们能看到的是它散射的蓝色光。
从形态上看，夜光云可分为面纱型（veil）、条带型（bands）、波浪型（waves）和旋涡型（whirls）。各种形态的特征如下图。
那么，冰晶是怎样在如此干燥的中间层形成的呢？这应该是夜光云最具神秘色彩的地方。
冰晶的产生需要两个条件：一个是要有水蒸气，另一个是要有水蒸气的凝结核——灰尘颗粒。普通的白云，云层离地面较近，能通过像沙漠中的尘暴来获得所需的凝结核，但是浮尘是很难被吹送到这么远的大气中间层。
科学家们猜测中间层的灰尘颗粒可能来自外太空：每天都有大量的彗星和小行星带来的极微小碎片进入地球，其中有许多合适尺寸的碎片都可以作为夜光云的凝结核。至于水蒸气则应该来自夏天上升气流把潮湿的低空大气带到中间层，这也是夜光云在整个夏天出现的原因。
例如下图是英国《每日邮报》曾刊登的2012年报夏天由摄影师艾德里安-马里西斯(Adrian Maricic) 在第四铁路桥拍摄到的英国爱丁堡市上空大气层最遥远的云层中，闪烁着蓝色的夜光云，据推算其距离地面大约50英里（80千米）。这次拍摄是在一个星期的暴风雨之后，天空变得格外晴朗，而夜光云就位于大气层最顶部。此时太阳还没升起，大气层中富含水蒸汽冷凝成为冰晶体，地平线以下的、远处而来阳光照射这些冰晶体，在夜间发亮形成夜光云。
越来越重要的夜光云研究
夜光云最初被认为只有在高纬度地区（50°-65°）的夏季，光照条件较好的时候，才能观察到。
在1885年，也就是1883年印度尼西亚喀拉喀托火山爆发两年后，人们第一次记载观测到这种夜间发光的云。当火山灰落下，日落逐渐暗淡，夜光云却一直出现在天空。多年之后，研究学者仍然不能确定，喀拉喀托火山灰与早期目击到的夜光云是否有关。
在早期的观测记载以后，人们渐渐注意到，夜光云的出现似乎越来越频繁，持续的时间更长，出现的纬度也更低，但其原因依然没有非常明确的结论。
2015年夏天，日本北海道大学低温科学研究所等的研究团队在北海道的多个城市拍摄到了夜光云。北海道地区位于北半球40°- 45°区域，北海道大学低温科学研究所特聘教授藤吉康志对此表示：“本来认为在日本国内不可能拍摄到，深感吃惊。夜光云神秘而美丽，但大气污染和气候变暖使得其可观测的区域扩大促成本次拍摄成功的可能性较大。”
正如日本学者所说，很多科学家认为夜光云开始出现在更低纬度地区可能与人类活动有关，因此引起了越来越多的兴趣。
2007年4月美国国家航空和航天局（NASA）首次发射了一颗名为AIM（Aeronomy of Ice in the Mesosphere，中间层大气中冰的高层大气物理）的卫星，专门用于观测夜光云，从而研究中间层中的冰晶有关的物理过程。
AIM卫星的轨道位于赤道上方约600公里处。参与这一项目的科学家玛丽·梅洛特说：“这些云（夜光云）是地球大气顶层状况的信号标，也是地球大气保存太阳能过程的一个重要环节。”梅洛特表示，科学家希望借助这颗卫星了解夜光云的形成过程和成因，理解大气环境的基本物理过程，也理解磁场、大气和太阳变化对于地球等星球宜居性的影响。
AIM卫星至今仍在工作。下边的动态图是它在2016年11月17-28日于南极洲上空拍摄的夜光云。夜光云越明亮，表明冰晶越密集。没有数据的区域显示为黑色。白色线条表示地形轮廓。
科学家发现，全球气候变暖使我们人类所处的底层大气温度变高，但这个效应会使大气中间层温度降低。在大气中间层，温度很低就有利于形成冰晶。另外，全球变暖过程中，高含量的温室效应气体甲烷实际上会导致在高海拔地区形成更多的水蒸汽。这样看来，全球变暖引起的“低温”和“更多水蒸汽”可能导致夜光云更为频繁地形成、在更低纬度出现。这也正是为什么研究者越来越重视夜光云现象。
