明明沒下雨，
為什麼早晨的草會濕？
晴朗的早晨。夜裡一滴雨也沒下，公園的草坪卻濕透了，自行車的座墊上也布滿水滴。但停在有屋頂車棚裡的自行車座墊卻是乾的——這個謎題的關鍵在於，草和物體會在夜裡把熱以「肉眼看不見的光」送往宇宙。
夏天早上6點。你在前往公園做廣播體操的路上，踏進草坪，運動鞋立刻濕透了。抬頭一看，萬里無雲，一片晴朗。昨晚你也沒聽到雨聲。
回到停車棚，停在露天處的自行車座墊上滿是水滴。但是，停在屋頂下、旁邊那台自行車的座墊卻是乾爽的。
明明處在同一片空氣中，卻只有看得見天空的地方是濕的。彷彿是天上掉下了什麼東西——但其實不是掉下來的，而是在當地生成的。
原理只有兩個步驟
任何有溫度的物體，都會放出肉眼看不見的光（紅外線）來釋放熱能。晴朗的夜裡，朝向天空的表面沒有任何東西阻擋這股熱能散失，會比周圍空氣冷上好幾℃。
這就像裝冷飲的杯子外側會「冒汗」一樣。空氣能容納多少水蒸氣，是由溫度決定的；水蒸氣一旦接觸到比極限溫度（露點）更冷的表面，就會變成水滴。
重點是，會不會濕、由「看不看得見天空」決定。接下來我們一步一步來看。
第一步：草能比空氣更冷
雖然違反直覺，但觀測顯示，晴朗夜裡草坪表面的溫度會比周圍氣溫低2～5℃左右。明明被空氣包圍著，為什麼還能比空氣更冷呢？
任何有溫度的物體，都會不斷朝四面八方放出肉眼看不見的「熱的光」（紅外線），持續釋放熱能。白天因為從太陽接收到的熱更多，所以不會注意到；但到了夜裡，就只剩下這股「熱能外流」。
這時候，關鍵在於對方是什麼。晴朗夜空的另一端，幾乎就是宇宙空間。宇宙幾乎不會把熱能送回來，所以朝向天空的表面，熱能收支就變成只出不進。另一方面，空氣不擅長傳導熱能，無法立刻把變冷的草重新加溫。結果就是，只有看得見天空的表面，會冷到低於氣溫。這個現象叫做輻射冷卻。
第二步：冷卻的表面，讓空氣中的水蒸氣「冒汗」
裝了冰塊的杯子放一陣子，外側就會佈滿水滴。這是因為空氣能容納的水蒸氣量，會依溫度而有上限，當冷表面附近的空氣被降溫，容納不下的水蒸氣就會以水滴的形式出現。
水滴開始出現的溫度有個名字，叫做露點。夜裡草坪上發生的，和杯子結露完全是同一回事。因為輻射冷卻而冷到露點以下的草表面，接觸到空氣中的水蒸氣，就會一個接一個變成水滴。晨露不是「落下」的，而是從當地的空氣中「生成」的。
這樣一來，開頭的謎題就全部解開了。屋頂下的座墊之所以是乾的，是因為屋頂擋下熱的光並反射回來，讓座墊沒冷到露點。陰天夜裡不容易結露也是同樣道理，因為雲就像「天空的棉被」，會把熱的光反射回地面。氣象預報只在晴朗夜晚才說「因輻射冷卻而降溫」，理由也在這裡。
同樣的原理，如果表面溫度降到0℃以下，水蒸氣不會先變成水滴，而是直接變成冰的結晶（霜）。在晴朗的冬天早晨，車子擋風玻璃只有上面結凍、旁邊的車窗卻沒事——這正是只有朝向天空的面因輻射冷卻而變冷的證據。停在有頂棚車位的車子不會結霜，理由和屋頂下的座墊不會濕是一樣的。不過，同樣是冬天早晨，腳邊的「霜柱」其實是完全不同的原理（詳見〈霜柱為什麼會從土裡長出來？〉）。
總結
晨露的原理分兩個步驟。①晴朗的夜裡，看得見天空的表面不斷把熱的光送往宇宙，比氣溫低上幾℃（輻射冷卻）。②冷到露點以下的表面，會讓空氣中的水蒸氣變成水滴出現（結露）。決定會不會濕的，是「看不看得見天空」。屋頂和雲，都扮演著把熱的光反射回來的「棉被」角色。
晨露不是從天而降的。
是把熱能送往宇宙而變冷的草，聚集了空氣中的水蒸氣。
冷卻表面讓水蒸氣變成水滴的原理，和寒冷天氣呼出的氣會變白是同一回事，詳情請見這篇文章。輻射冷卻在都市中如何被阻礙，請參考熱島效應的文章；它和夜晚遠處聲音特別清晰的關係，也可參考這篇文章。同樣的輻射冷卻在某些地方會以極端形式發揮作用，可以讀讀沙漠晝夜溫差。同樣的夜間降溫讓整個山谷充滿霧氣的現象，則在〈雲海為什麼只在清晨的山上看得到？〉中有介紹。
- 在一個晴朗無風的夜晚，準備兩個金屬托盤或玻璃杯
- 一個放在看得見天空的地方（庭院或陽台欄杆上等），另一個放在屋簷或屋頂下
- 隔天早上，比較兩者的潮濕程度（水滴附著的情形）
應該只有放在露天處的那個，表面會佈滿結露水滴。若在陰天夜裡做同樣的實驗，這次會發現兩者都不太會濕。這是能親眼確認「雲＝天空的棉被」的實驗。
想知道更多 ― 用語、數學式與教科書的連結從國中理化到大學專業科目，程度都會明確標示
- 國中國中理化課會學到的範圍
- 高中高中「物理基礎」「地科基礎」會學到的範圍
- 高中＋高中「物理」的進階內容，或教科書專欄程度的內容
- 大學高中不會學到、屬於大學專業科目（大氣科學・傳熱工程）的內容
- 研究連大學都還不會當成「定論」來教、屬於研究者正在調查中的內容
國中用語：這個現象是有名字的
- 輻射冷卻：物體放出紅外線（熱的光）而變冷的現象。特別常用來指晴朗夜裡，地面或物體表面溫度低於氣溫的現象。
- 露點：把空氣持續冷卻時，水蒸氣開始變成水滴的溫度。濕度愈高，露點就愈接近氣溫。
- 結露：水蒸氣在比露點更冷的表面上變成水滴附著的現象。窗玻璃內側的水滴也是同樣的現象。
- 霜：表面溫度在0℃以下時，水蒸氣直接結成冰附著而成。
國中高中用式子驗證：會結露的夜晚・不會結露的夜晚
我們用大致的數字，來驗證「表面是否冷到露點以下」。據稱在晴朗無風的夜裡，草坪表面會比氣溫低4℃左右（實測報告的範圍是2～5℃）。
| 用符號寫 | Ts ＝ Ta － ΔT 當 Ts ＜ Td 時就會結露 |
| 用文字寫 | 表面溫度 ＝ 氣溫 － 輻射冷卻造成的降溫幅度。如果表面溫度低於露點，空氣中的水蒸氣就會變成水滴 |
| 公式的來源 | 降溫幅度 ΔT，由表面透過紅外線送往宇宙的熱量，與從天空、空氣接收到的熱量之差決定（輻射收支）。露點 Td，是空氣中目前所含水蒸氣剛好達到飽和的溫度。 |
| 符號 | 意義與單位 |
|---|---|
| Ts | 草坪或葉片表面的溫度。單位為℃ |
| Ta | 周圍的氣溫。單位為℃ |
| ΔT | 輻射冷卻造成表面比氣溫低的幅度。單位為℃ |
| Td | 露點（該空氣中水蒸氣開始變成水滴的溫度）。單位為℃ |
| 夜間氣溫 | 22℃ |
| 濕度較高的夏夜露點（參考值） | 19℃ |
| 晴朗無風夜晚，草坪表面的降溫幅度（參考值） | 據稱約4℃ |
| 屋頂下的降溫幅度（參考值） | 僅約1℃左右 |
| 露天草坪的表面溫度 | 22 － 4 ＝ 18（℃） |
| 比露點19℃低多少 | 19 － 18 ＝ 1（℃）→ 低於露點 → 會結露 |
| 屋頂下的表面溫度 | 22 － 1 ＝ 21（℃）→ 高於露點19℃ → 保持乾燥 |
雖然只是短短幾℃的差距，但是否跨過露點這條線，就決定了早晨的景象是濕透還是乾爽。濕度較低的夜晚，露點也會更低，即使降溫幅度相同也不會結露。結露的早晨，其實也記錄著「昨夜濕度高、天氣晴朗」這個事實。
高中高中＋「熱的光」的真面目：任何物體都在發光
高中任何有溫度的物體，都會依溫度放出對應的電磁波（熱輻射）。人體、草坪，甚至連冰塊，都以紅外線的形式「發著光」。
高中＋輻射能量與絕對溫度的四次方成正比（史蒂芬－波茲曼定律）。相對於夜間地面（約300K）放出的紅外線，晴朗夜空返回的紅外線，只來自溫度低得多的大氣和宇宙。這股「送出量與返回量的差」，就是輻射冷卻淨降溫的作用力。有雲的夜晚，雲（溫度接近地表）會反射紅外線回來，使這個差距幾乎消失。
大學通往宇宙的通道：「大氣窗口」
大氣中的水蒸氣和二氧化碳會吸收許多波長的紅外線，但是波長8～13微米附近的紅外線幾乎不被吸收，能幾乎直接從地表穿透到宇宙。這個波段稱為大氣窗口，是輻射冷卻的主要通道。由於地表溫度（約300K）的熱輻射峰值恰好落在這個窗口內，地面就能透過這個窗口，有效率地把熱送往宇宙（等效溫度相當於零下數十℃）。濕度高的夜晚降溫較弱，就是因為水蒸氣部分堵住了這個窗口。
📖 公式推導及更深入的內容：大氣窗口（日文維基百科） ／ 輻射冷卻（日文維基百科）
研究目前還不清楚的地方・最前線
輻射冷卻雖然是自古以來就知道的現象，但現在在工程領域的最前線再度受到矚目。
- 「即使在陽光下、白天也能變冷」的輻射冷卻材料開發。 若製作出幾乎能反射全部陽光、同時在大氣窗口波段強力放射熱能的特殊多層膜或塗料，就能讓表面即使在正午直射陽光下，也比氣溫低上幾℃——這在2014年前後已獲得實證。作為不耗電的冷卻材料，應用於建築屋頂、衣物的研究仍在積極進行中。
- 霜害的預測依然困難。 損害農作物的晚霜會在哪塊田、哪個高度發生，受地形造成的冷空氣堆積方式影響很大，數百公尺尺度的預測目前仍在研究階段。
- 露水能成為水資源嗎。 在乾燥地區，利用輻射冷卻從大氣中收集飲用水的「露水收集」效率化，正在被研究。一個晚上能收集到的量，以面積換算相當少，材料與形狀的改良能否達到實用水準，仍是待解的問題。
也就是說，這篇文章的內容，也是「以目前所知範圍」所做的說明。早晨悄悄弄濕草坪的現象，本身其實就是最先進節能冷卻技術的原理。
與教科書的連結（依程度分類）
| 程度 | 科目・單元 | 本文對應位置 |
|---|---|---|
| 國中 | 理化・飽和水蒸氣量與露點／狀態變化 | 結露的原理、露點的概念、②的計算 |
| 高中 | 物理基礎・熱的傳遞（輻射）、地科基礎・大氣 | 熱輻射這個散熱途徑、晴夜的降溫 |
| 高中＋ | 物理・熱輻射的進階內容 | 溫度四次方定律、雲的「棉被效應」的定量意義 |
| 大學 | 大氣科學・傳熱工程 | 大氣窗口、淨輻射收支 |
| 研究 | 材料工程・農業氣象學（進行中） | 日間輻射冷卻材料、霜害預測、露水的水資源化 |
| ― | 與生活的連結 | 屋頂下不會濕、陰天夜裡不會冷、車窗結霜 |
- 日本氣象廳的氣象解說（輻射冷卻、露與霜的觀測、晴夜的降溫）。
- 地學・大氣科學的標準教科書（地表輻射收支、大氣窗口、露點與結露）。
- Monteith, J. L. & Unsworth, M. H., Principles of Environmental Physics, 4th ed., Academic Press, 2013（草地夜間表面降溫與露水形成）。
- Raman, A. P. et al., Passive radiative cooling below ambient air temperature under direct sunlight, Nature 515, 540–544, 2014（日間被動輻射冷卻的實證）。
- Beysens, D., Dew water, River Publishers, 2018（露水的物理性質及作為水資源的研究）。
※本文為一般大眾取向的科學解說。文中數值僅為幫助理解原理的參考、概算值。實際的降溫程度及露、霜的形成，會因濕度、風、地形而有很大差異。