為什麼雲朵含有大量的水卻能漂浮?

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大氣研究大學聯盟合作執行氣象學、教育和培訓計劃(COMET)的高階氣象學家道格拉斯·韋斯利解釋說

圖片:羅恩·霍勒,伊利諾伊大學雲圖目錄
漂浮的雲朵。我們看到的雲朵中的水和冰粒子太小了,無法感受到重力的影響。因此,雲朵看起來像是漂浮在空氣中。

雲主要由細小的水滴組成,如果足夠冷,則由冰晶組成。你看到的大多數雲都包含太小而沒有任何明顯下降速度的液滴和/或晶體。因此,這些粒子繼續與周圍的空氣一起漂浮。為了更貼近地面的類比,可以想象一下微小的灰塵顆粒,當對著一束陽光觀察時,它們似乎漂浮在空氣中。


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事實上,典型水滴中心到邊緣的距離——其半徑——範圍從幾微米(千分之一毫米)到幾十微米(冰晶通常稍大一些)。任何物體下落的速度都與其質量和表面積有關——這就是為什麼羽毛比相同重量的鵝卵石下落得慢。對於大致呈球形的粒子,質量與半徑的立方(r3)成正比;這種粒子朝下的表面積與半徑的平方(r2)成正比。因此,隨著微小水滴的增大,其質量變得比其形狀更重要,液滴下落得更快。即使半徑為 100 微米的大液滴,其下降速度也僅為每秒約 27 釐米(cm/s)。而且由於冰晶具有更不規則的形狀,它們的下降速度相對較小。

大氣中的上升垂直運動,或稱上升氣流,也透過抵消雲粒子微小的下降速度,促成了雲朵的漂浮外觀。雲通常在向上移動的空氣中形成、生存和增長。上升的空氣隨著壓力的減小而膨脹,膨脹到稀薄的高空空氣中會導致冷卻。足夠的冷卻最終使水蒸氣凝結,這有助於雲的生存和增長。層狀雲(產生穩定降雨的雲)通常在具有廣泛但微弱上升運動(例如,幾釐米/秒)的環境中形成;對流雲(引起陣雨和雷暴的雲)與超過每秒幾米的上升氣流有關。然而,在這兩種情況下,大氣上升都足以抵消雲粒子微小的下降速度。

另一種說明雲相對輕盈的方法是將雲的總質量與雲所在空氣的質量進行比較。考慮一朵假設的但典型的位於 10,000 英尺高度的小云,它包含一立方千米,液態水含量為每立方米 1.0 克。雲粒子的總質量約為 100 萬公斤,大致相當於 500 輛汽車的重量。但是同一立方千米空氣的總質量約為 10 億公斤——比液態水重 1000 倍!

因此,即使典型的雲確實含有大量的水,這些水也以微小水滴或晶體的形式分散在數英里範圍內,這些水滴或晶體非常小,以至於重力對它們的影響可以忽略不計。因此,從我們在地面的有利位置來看,雲似乎漂浮在天空中。

最初答案發佈於 1999 年 5 月 31 日

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