Белое кучевое облако на фоне синего неба кажется почти невесомым, а соседняя туча может выглядеть тёмно-серой, хотя обе состоят из воды. Разница объясняется не особым цветом капель и не тем, что в дождевом облаке обязательно находится грязная вода. Главную роль играет солнечный свет: сколько его попадает в облако, как он рассеивается внутри и сколько достигает глаз наблюдателя.
Облако образуется, когда водяной пар в охлаждающемся воздухе превращается в мельчайшие капли воды или кристаллы льда. По отдельности эти частицы почти незаметны, но вместе они создают хорошо различимую массу. Размеры капель, их количество и распределение внутри облака меняются в зависимости от высоты, температуры и движения воздуха. Поэтому даже облака похожей формы могут по-разному пропускать свет.
Солнечный свет кажется белым, потому что содержит множество видимых цветов. В ясной атмосфере коротковолновая синяя часть спектра рассеивается молекулами воздуха сильнее, чем красная, и небо приобретает голубой оттенок. Но капли в облаках намного крупнее молекул газа. Они рассеивают видимые цвета сравнительно равномерно, поэтому освещённая часть облака обычно выглядит белой.
Такое рассеяние отличается от механизма, который делает небо голубым. Для облачных капель важны многократные изменения направления световых лучей: свет входит в облако, встречает большое количество частиц, частично отражается и выходит наружу. Когда к наблюдателю возвращается достаточно света всех видимых цветов, глаз воспринимает поверхность как белую или светло-серую.
Потемнение облака начинается, когда до его нижней части доходит меньше солнечного света. У мощной облачной системы большая оптическая толщина: свет проходит через множество капель и кристаллов, неоднократно рассеивается и значительная его доля выходит через верхнюю или боковые поверхности. С земли основание такого облака кажется серым, хотя капли внутри по-прежнему прозрачные.
По этой причине сверху дождевые облака нередко выглядят гораздо светлее, чем снизу. Пассажиры самолётов могут видеть ярко-белую верхнюю поверхность облачного слоя, под которым на земле царит пасмурная погода. Солнце освещает верхушку напрямую, а нижние уровни получают заметно меньше света. Само облако не обязано менять химический состав, чтобы его цвет изменился.
Серый цвет не является надёжным признаком немедленного дождя. Тёмная нижняя поверхность может появляться у плотного облачного слоя и без осадков у земли. В то же время небольшой дождь иногда идёт из сравнительно светлых облаков. Чтобы судить о вероятности осадков, метеорологи учитывают развитие облаков, влажность, движение воздушных масс и другие наблюдения, а не только оттенок неба.
Есть и эффект зрительного контраста. Если перед ярко освещённым белым облаком находится менее яркий участок, он может казаться почти чёрным, хотя объективно отражает немало света. Восприятие зависит от соседних цветов, положения Солнца и того, насколько адаптировались глаза к освещению. Поэтому одна и та же туча на фотографии и при наблюдении с улицы может выглядеть по-разному.
На рассвете и закате облака нередко становятся розовыми, оранжевыми или красными. Когда Солнце низко над горизонтом, его лучи проходят более длинный путь через атмосферу. Коротковолновый свет сильнее рассеивается по дороге, а до облаков доходит относительно больше красных и оранжевых составляющих. Капли рассеивают уже изменившийся по цвету солнечный свет.
Иногда облака приобретают желтоватый или бурый оттенок из-за дыма, пыли и аэрозолей в воздухе. Однако такой цвет не всегда говорит о загрязнении: похожие тона могут появляться и при низком Солнце. В сумерках некоторые облака выглядят голубоватыми, если освещаются рассеянным светом неба, а не прямыми солнечными лучами.
Толщина облака, размер капель и освещение связаны между собой, но не позволяют вывести простое правило вроде «чем темнее, тем сильнее ливень». Грозовые облака часто имеют высокие вертикальные башни и плотные основания, однако интенсивность осадков определяется сложными процессами образования и роста капель и ледяных частиц. Оценивать погоду только по цвету облаков недостаточно.
Таким образом, белое облако и серая туча могут состоять из одинаковых по природе частиц. Белизна возникает, когда к наблюдателю приходит много рассеянного солнечного света, а серый оттенок — когда его приходит меньше или меняется зрительный контраст. Это объяснение приводят Национальное управление океанических и атмосферных исследований США (NOAA) и британская метеорологическая служба Met Office.