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按理说 , 地球上的所有东西都会受到地心引力的制约 , 除非达到第一宇宙速度(7.9km/s) , 否则即使飞到空中也很快就会被拉回到地面上 。 可是云彩既受地球引力影响 , 又没有超快的运动速度 , 那么它为什么能长时间地漂浮在空中呢?
对云朵的误解很多人认为云之所以能漂浮在空中 , 那是因为云是由水蒸气构成的 , 本身比较轻、密度小于空气 , 就像是水中的木头一样被空气的浮力带到了高空 , 可事实并非如此 。
首先 , 水蒸气的确很轻 , 但云并非完全由水蒸气构成 , 这一点从外观上就能分辨 。 水蒸气是一种没有颜色的透明气体 , 人眼根本看不到 , 可是云朵通常却都是白色的(也有灰色等比较深的颜色) 。
事实上 , 空中的云是由水蒸气液化或者凝华生成的小水滴、小冰晶以及一些空气中的杂质混合而成的 , 这些混合在一起的小水滴、小冰晶等向四周反射光线 , 在我们的眼中形成了云朵的形状 。
我们烧开水时冒出来的水气也不是水蒸气 , 而是水蒸气在空气中遇冷凝结成的小水滴 , 本质上和云差不多 。
其次 , 云朵并不轻 。 事实上 , 即使看起来非常蓬松的云朵 , 平均的密度也能达到0.5克/立方米 , 这样算下来 , 一朵一立方千米的云彩重量大约在500吨左右 , 而世界上最重的大象重量也仅为13.5吨 , 才仅仅是这样一朵云的1/37左右 。
实际上 , 天上大多数云彩的体积都比我们看到的要大 , 一是因为我们距这些云彩至少也得有几百米或是上千米的距离 , 二是我们在地面上观察这些云 , 大多只能看到云彩的底部 , 而云彩一般都比较厚 , 所以体积达到一立方千米的云彩很多 。
终端速度慢云朵中无论是冰晶还是水滴密度都要比空气大 , 因此云朵也会坠落 , 但是云朵中的这些小水滴、小冰晶坠落时的终端速度非常慢 。
什么是终端速度?当一个物体在空中做自由落体运动时 , 速度会越来越快 , 直到自身的重量和受到的空气阻力达到平衡时 , 物体自由落体的速度就会稳定在一个几乎不变的数值上 , 这就是终端速度 。
而物体本身的质量决定着物体的终端速度 , 质量越小 , 受到的引力影响就越小 , 下落时更容易和空气阻力达到平衡 , 终端速度也就越小 。
小冰晶、小水滴等组成云的物质虽然会下坠 , 但是本身的质量和体积都非常小 , 通常情况下它们的终端速度大约都在2毫米/秒 , 可以说是相当缓慢的了 。
蒸发作用和上升气流水滴也好 , 冰晶也好 , 即使体积很小也同样逃不过蒸发作用的影响 。 一般情况下 , 低空的气温比高空高 , 在下坠的过程中 , 这些小水滴、小冰晶甚至一部分已经聚集成水滴的雨水都会受到更高温度的影响 , 再度蒸发成气态的水蒸气 。 水蒸气比空气轻 , 它们会再度上升到高空 , 之后遇冷再度凝结成冰晶和水滴 , 重新变成了云 。
除此以外 , 地球大气存在环流 , 即使在高空中也存在很多上升的气流 , 由于云朵中的冰晶、水滴都很轻 , 因此会很轻易地再度带到高空中 。 也正因为有这样的循环机制存在 , 我们才能看到这些重量很大的云一直漂浮在空中 。
如何摘下一片云?通过上文的叙述 , 我们知道了较低的终端速度、蒸发作用以及上升气流共同构成了一套循环机制 , 让云能持续地漂浮在空中 , 但是这个循环机制的作用是有上限的 。
据气象学家计算 , 当云的密度达到15g/m3时 , 这套循环机制就不能再阻止云的下落过程 , 云从高空坠落下来 , 变成了我们熟知的雨、雪、冰雹等 。
“云为什么能漂浮在空中”这个问题看似有些无厘头 , 但当人们弄懂这些原理之后 , 就可以通过各种手段破坏掉云的这套循环漂浮机制 , 进行人工降雨 。
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