弗吉尼亞理工學院和州立大學的化學助理教授保羅·A·德克給出了簡要解釋
“地球的大氣層——尤其是大氣層的區域性區域——並非處於熱平衡狀態。世界在轉動,太陽昇起又落下,地表溫度也在上升和下降。根本沒有足夠的時間來均勻地分散如此巨大熱擾動的影響。所有擾動(來自溫度變化、海洋潮汐等)的組合導致了我們在相對較短距離內觀察到的可變性。這個問題的複雜性突顯了國家氣象局迫切需要擁有最強大的計算裝置和應用數學領域最優秀的人才。”
史蒂文·A·阿克曼是威斯康星大學麥迪遜分校大氣和海洋科學助理教授。他提供了更完整的答案
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“大多數雲形成於上升的空氣中。隨著一團空氣的體積或包裹上升,它會膨脹和冷卻。此外,上升空氣的相對溼度增加。當包裹接近飽和點時,水蒸氣會凝結形成微小的水滴或冰粒子,從而形成雲。飽和發生在特定的高度,該高度取決於大氣層的溫度和溼度結構。低於這個凝結水平,雲不會形成;這個臨界點解釋了為什麼雲底具有明顯的外觀並且通常是平坦的。有些雲的邊緣比其他雲更彌散。雲邊緣看起來有多清晰取決於雲的型別、周圍晴朗空氣的溼度以及您離雲有多近。
“1803年,職業生涯始於藥劑師的盧克·霍華德開發了今天常用的雲分類系統。在這個系統中,有兩種基本的雲結構(層狀或對流)和兩種基本組成(水滴或冰粒子)。這些類別還包括正在降水的雲。層狀雲或層雲確實有霧的樣子。積雲,其上部類似於花椰菜,是一種對流雲。這些雲在快速上升的空氣中形成,由許多小水滴組成。小水滴有效地散射光線,使雲看起來很明亮。(同樣,如果您將玻璃打碎並將小碎片與大碎片分開,則小碎片組將顯得更亮。)
“當積雲形成時,多雲空氣與周圍的無雲環境之間幾乎沒有混合。因此,雲的邊界顯得清晰。與之形成對比的是捲雲,一種類似逗號的冰雲。這些雲在底部附近顯得彌散,當冰晶落下並蒸發到下方的乾燥空氣中時,冰晶的數量減少。多雲空氣與晴朗空氣混合,呈現出彌散的外觀。因此,雲邊界看起來有多清晰是雲空氣與晴朗空氣環境混合程度的函式。
“如果環境空氣的相對溼度很高,只需少量混合就會導致空氣達到飽和,從而產生相對彌散的邊界。如果周圍空氣的溼度較低,則構成雲的水滴或冰晶會隨著多雲空氣與其周圍環境混合而迅速蒸發;這導致雲保持清晰的邊界。
“距離對雲的清晰程度也有很大影響。您是否曾在牆上畫過一條線?近距離觀察,這條線的邊緣可能看起來波浪狀且不連續。退後一步,這條線看起來清晰而簡潔。下次有機會飛行時,觀察當您穿過雲層時雲的情況。您會注意到雲的邊緣通常是彌散的。只是儘量避開積雨雲,它獨特的邊界可能會給您的飛機帶來劇烈的顛簸。”
克萊蒙特·麥肯納學院的哈維·威奇曼提出了這種思考問題的方式
“雲形成的一個很好的類比是水壺底部蒸汽氣泡的形成。有些地方比其他地方稍熱;在這些地方,水變成蒸汽。當氣泡足夠大時,水的表面張力無法再保持它,因此它會上升。密度不同的流體表現得非常獨立。氣泡一直保持氣泡狀直到頂部,在那裡它會散開成為蒸汽。
“雲也是如此。地球表面上的某個點比周圍區域更熱。一個例子是大樓黑色、扁平的柏油屋頂或空曠的停車場。它上方的空氣會升溫並形成一團熱空氣,其密度低於周圍的空氣。當表面張力無法再保持它時,氣泡會散開並上升。這就是為什麼像鷹和鷹這樣的翱翔鳥總是盤旋——它們感覺到上升氣流並不斷轉彎以保持在上升空氣氣泡內。熱空氣上升直到到達溫度足夠低以將氣泡中包含的水蒸氣凝結成可見水滴的高度。可見的水滴變成雲,形成它的那個高度(溫度)稱為凝結水平。
“在颳風的日子裡,雲層之間可能會有一些混合,但總的來說,雲層高度的氣團移動得相當穩定。而且,密度略有不同的流體也不會很好地混合。這種不混合的趨勢解釋了最熟悉的幾種天氣系統之一。當冷鋒(一股冷而稠密的空氣團)撞擊暖空氣團時,它會跑到暖空氣團的下方並向上推所有暖空氣。當暖空氣到達凝結水平時,您會得到一個堅實的雲團和陰雨天氣。”
內布拉斯加大學奧馬哈分校的地理學助理教授傑弗裡·S·皮克補充道
“雲有時或多或少隨機形成(尤其是在夏季),但大多數時候它們似乎是以團塊的形式組織起來,或者在天空的某一部分組織起來。造成這種情況的原因是,大多數雲都與上升氣流有關,而原因(鋒面、山脈、高空氣槽、大氣波)本身並不是隨機分佈的;因此,雲會顯得有組織。此外,在夏季,當雲是由於來自下方的對流加熱而形成時,一朵雲的形成以及由此產生的潛熱釋放往往會降低雲層周圍的空氣壓力,並鼓勵更多的空氣向上上升,從而在天空的某一部分擴充套件雲層。”
“有許多不同型別的霧;它們主要是根據其形成方法來定義的。除了冰霧之外,所有的霧都由相同的物質組成:直徑為 1 到 20 微米的小水滴。大多數霧往往在微風的條件下出現。在風力較強時,地表(已飽和)的空氣往往會與來自高空的乾燥空氣混合,霧往往會分解或蒸發。”