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一朵500吨重的云,会不会突然往下掉,从云化雨经历了什么过程?

  在天气晴朗的天空上漂着的白云,我们都随处可见,但不知道的是云有多重,科学家研究发现一朵白云会有500吨的重量,相当于500头牛的重量,那它会不会掉下来呢?云有是怎么形成的?
  经气象学家测量,云的平均密度为0.5克/立方米,平均体积约为1立方米,由此可以算出一朵云的平均重量在500吨。云应该很轻才对,不然怎么飘起来呢,它的重量来自哪里?
  云的本质是水蒸气凝结成的小水滴或冰晶,因此它是有一定质量的,我们把它称为"云滴"。云滴非常小,半径仅0.002毫米,肉眼根本无法观察。云滴这么小但也要受地球引力作用,云会不会一整块下坠呢?
  云大部分时候都呆在对流层,对流层在大气层的最底层,对流层包含了大气层中75%的空气和90%的水汽,大气层中的空气和水汽是运动的,所以连带着云也是运动的。气流的运动产生了不同方向的"风",正是这些风带着云四处走动。
  云之所以不坠落就是因为上升气流和云滴轻薄的质量和体积。
  云滴受到重力加速度的作用,下坠速度会越来越快;下坠速度越快,它受到的空气阻力就越强。当云滴所受重力和空气阻力达到二力平衡的状态,云滴的下坠速度就保持一个恒定的状态,我们把这个速度叫做云滴下坠的终末速度。
  这个中末速度能达到多少呢?实际上也就每秒几毫米,虽然以它0.002毫米的身躯来看这个速度已经很快了,但对几千米的云团来说,基本没什么影响。
  在这样的情况下,只要稍微受到一点气流的影响,云团稍微向上移动一点儿距离,云滴就永远别想掉落。就算它不受任何气流影响下落,温度的巨大变化也会让这些云滴重新变为水蒸气。
  空气中的水蒸气是如何从高空凝结成云的?
  水蒸气去到高空不止是因为气流,它还可以自己升空。
  从分子质量上看,水蒸气比起空气(大部分氮气、氧气)轻得多,当一个区域凝结大量水蒸气时,这团水蒸气就会像一个热气球一样向高空飘去。在对流层中,高度每上升100米,环境温度下降0.65摄氏度,随着温度越来越低,原来高温的水蒸气团蕴含的能量逐渐向外部流失,最终凝结成云滴。
  当然这些水蒸气不是直接凝结成纯净的水滴,一般他们会吸引云凝结核,这些云凝结核大多是写漂浮的粉尘和盐颗粒。形成的云滴半径平均在0.002毫米。
  这样没有对流抬升自己上去的云,冷凝开始的高度被称为抬升凝结高度,它基本决定了云底的高度。这样的云比较好辨认,就像被截断了一样,你以为它在消亡,其实它正在向上生长。
  其他几种比较常见的情况是气流把这些水蒸气送上去冷凝成的云,比如气旋、对流、地形隆起等等。
  大雨、小雨都是怎么形成的?
  当云团中的云滴数量升高,云滴就会相互碰撞结合成体型庞大的雨滴从空中坠落。大多数情况我们看到的白云就是云滴少的,乌云就是云滴多的。造成这云团颜色差异的是云中的雨滴数量,云滴天然可以反射和折射太阳光,所以正常情况呈现的颜色是白色,但当云团中云滴数量增多无法透光的时候,云在我们看来就变成黑色。
  对雨大小的形容有两个维度,一个维度是雨量,比如"瓢泼大雨",形容雨下的量大、下的急,就像从天上泼下的水一样;还有一个维度是雨滴,比如"豆大的雨点"。乌云中云滴的数量决定雨量的大小,那雨滴是由于什么因素导致大小不同的呢?
  大雨滴的形成源自极端的天气变化,常见于对流抬升水蒸气形成的云团。由于太阳短波辐射经过地表反射成长波辐射,对流层吸收长波辐射热量导致近地端空气温度升高,这样就与高空的低温形成较高的温度梯度,导致强上升气流的形成,水蒸气乘着上升气流快速升高形成更大的云滴。这些云滴的平均半径在0.015毫米,比正常云滴的0.002毫米高出许多。
  在水蒸气的不断补充下,云团很快变成积雨云,虽然达到了正常的降雨水平,但在强上升气流的鼓吹下却不会轻易下落,反而继续结合成更大的雨滴。最强劲的上升气流风速惊人,最大时速可达290公里每小时,在这样的速度加持下,一个个超级积雨云层被创造出来,高耸的云塔在到达临界点的一瞬间侵袭而下,暴雨洗礼下方的每一寸土地。
  如果高空中温度在冰点以下,雨滴就会率先结冰形成小冰雹,这个冰冻核在一个上升气流中涨到直径1.3厘米,然后在不同上升气流、下降气流中循环活动,一层层的裹上水汽形成冰层,尺寸慢慢上涨,直到气流再也无法支撑,坠向地面。目前发现尺寸最大的冰雹为18厘米,这样的冰雹完全就是一颗高空炮弹。
  雨滴的威力
  在强对流引起的极端天气中,冰雹的威力不容小觑,最好还是到屋里躲一躲。而和它同出一脉的雨滴却无法对人类造成伤害,这是为什么?
  通过对雨滴大小的统计可以看出,最大的雨滴直径不过6毫米,这说明无论强对流天气在积雨云中积累多大的雨滴,最后落到地面都无法超过6毫米,雨滴在坠落时一定会因为空气阻力提前分裂。
  我们把直径超过5.5毫米的雨滴定义为大雨滴,它们下落时的体态和小雨滴不同,小雨滴是圆的,大雨滴是纺锤形的。在下落过程中大雨滴的形态受空气阻力作用,中间向内塌陷,两边向外张开,被迫分裂成两颗正常的雨滴。
  如此看来无论产生的雨滴有多大,它都会在下落过程中标准化,变成直径不超过5.5毫米的雨滴。雨滴的大小基本恒定,那雨滴下落时的速度又是如何变化的呢?
  雨滴下落速度还要看雨滴的终末速度,雨滴比云滴大得多,受到重力影响更大,在运动过程中,空气阻力随云滴运动速度增大而增加,当阻力和重力平衡之时(浮力忽略),水滴下坠速度恒定。按最大雨滴体积计算,雨滴的终末速度不过11米/秒,这样的力量击打在人身上都不到1N。下次撑伞时你可以伸手感受一下雨的力量。
  云的平均重量在500吨左右,它的重量主要来自于微小的云滴,虽然云团从形成开始就在缓慢下降,但因为组成云团的云滴质量轻薄很容易受气流影响,所以它基本不可能落地。云的消散要不就重新变为水蒸气,要不就凝结成更大的雨滴下落。
  极端天气产生的冰雹比雨滴杀伤力大得多,你见过最大的冰雹有多大呢?

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