地球/4g. 云是什么？
在夏日，云彩可能飘过我们的头顶，只有当你花时间观察它们时才会注意到它们的移动。云彩形形色色，但它们独特的物理属性可以被分类，观天者根据地球上云彩的特征给它们起了名字。这些名字由拉丁词组成，Nimbo- 表示雨，Alto- 表示高，Cumulus- 表示堆或丘，Strato- 表示平坦，Cirrus- 表示卷曲或缕。
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这些云彩就是你在夏末下午看到的经典的白色蓬松的棉花糖般的云彩。云彩的顶部通常是圆形的，因为云彩向上生长，底部平坦，可能在地面以上数百米处。在下午晚些时候，积云会长得更大，形成积雨云，或称高耸积云。如果积云中形成了足够多的水分，并且它长得更大、更灰，它会变成积雨云。
这些云彩是与雷暴相关的巨大的高耸云彩。这些云彩向上攀升到大气中超过 12 公里，可以释放大量的雨、雪、冰雹，并与闪电、雷声甚至龙卷风相关联。它们顶部有时会形成砧状云。底部会形成灰白色或蓝灰色，因为水蒸气过饱和。积雨云下方通常会下雨或下雪。夏天的晚上雷雨通常是积雨云造成的。
这些云彩类似于扁平的积云，通常成低群或云线出现在天空。这些云彩没有太高的高度，通常是由于上面的空气稳定，阻碍了向上生长。这种类型的云彩很少会下雨或下雪，它们往往预示着天气转暖。层积云在天空形成线状或透镜状图案。
这些云彩类似于分散在天空中的单个球状斑块，出现在更高的地方。这些高云块状云彩通常不会下雨，但有时会发展成积雨云。高积云通常点缀在天空，厚度不一，有些是薄薄的卷云，有些则更厚、更像球形。
这些云彩是高空云彩，出现在对流层顶部附近，距离地球表面 10 到 14 公里。这些云彩通常含有比液态水更多的冰晶，在寒冷的日子里会产生雪花。它们可以由大型云彩（如雷雨过后的积雨云）的破碎形成。
这些云彩形成于对流层高处，大约在 14 到 16 公里处，形成高空细长的云彩。卷云由冰晶组成，这些冰晶源于过冷水滴的冻结。它们看起来通常是透明的，就像高空中飘荡的婚纱一样。
这些云彩非常低、扁平、没有特征，在冷锋开始时滚过天空。层云通常是灰色的，颜色深沉，但有时也会是白色的。这些云彩像雾一样低到地面，会环绕在山脉和丘陵，代表着一连串的寒冷天气，伴随降雨和降雪。大多数雾被归类为层云，它们可以在清晨或降雨后形成。
这些云彩类似于层云，但更厚、更暗，与冷锋有关。雨层云出现在冷锋过后大量的降雨和降雪期间，通常出现在寒冷、阴雨或下雪的日子。这些云彩在寒冷的雨天经常覆盖整个天空，但它们向上延伸只有 2 到 4 公里。如果在一个阴天，天空完全被云彩覆盖，这通常是雨层云造成的。
这些云彩类似于高积云，但更厚，并在 6 到 10 公里的高度上覆盖天空。它们不像卷云那样纤细或透明，可以覆盖大部分天空。由于它们在更高的地方，所以它们往往与降雨或降雪无关，而是像无特征的云彩一样悬挂在景观之上。
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透镜云 -
雨幡云 -
鱼鳞天 -
珠母云 -
夜光云 -
乳状云 -
弧状云 -
德克萨斯州的沙尘暴 -
伊拉克的沙尘暴
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许多奇特的云层形态都有自己的名字和描述。最具代表性的可能是透镜云，它看起来像巨大的圆形UFO。它们是一种高积云，被风雕刻成椭圆形，高高地悬挂在空中。雨幡云是一种细长的卷云，从雨云中垂下。雨幡云是由从云层下方降下的降水形成的，通常降水在到达地面之前就蒸发了，尽管它可能会在雨幡云的下方产生轻微的雨或雪。鱼鳞云是水手用来形容天空布满一排排小卷积云或高积云，呈现出斑点状图案，看起来有点像鲭鱼的鳞片，这是由高空大气风造成的。鱼鳞云通常被水手用来预报降雨，因为它们出现在气压下降时，表明低压系统正在形成。珠母云只出现在北极地区，是高空彩虹色的云层，形成于对流层顶附近，当时大气温度极低。它们最常出现在寒冷干燥的极地地区，由高空大气中的冰晶构成。它们常被称为极地平流层云，是云彩爱好者追逐的目标。夜光云是一种科学上有趣的罕见云层，出现在地球上空高空的中层大气中。它们通常在大型火山喷发后被观察到，据认为是由火山灰和水蒸气注入高层中层大气中形成的，这些灰尘和水蒸气形成细长的薄云，在日落或日出时最容易看到。它们也曾在火箭发射后被观察到，因为火箭在升空过程中燃烧燃料时会将颗粒和水蒸气带到高层大气中。乳状云是一种枕头状的云，可以在积雨云下方形成，这个词来源于拉丁语中“乳房”或“奶子”的意思。开尔文-亥姆霍兹云是由大气两层之间的速度差异引起的，导致形成像翻滚的海洋波浪一样的波浪状云。它们以英国物理学家开尔文勋爵和德国物理学家赫尔曼·冯·亥姆霍兹的名字命名，他们在 1860 年代和 1870 年代都描述了这些波浪形成的物理学原理。弧状云是一种罕见的暴风雨云，在天空滚动。它们与冷锋和雷暴有关，导致云看起来在景观上滚动。它们还有其他名称，包括卷轴云、棚云或卷云。弧状云与滚动巨型沙尘云有关，被称为沙尘暴，这个词来源于阿拉伯语中“爆炸”或“漂移”的意思。沙尘暴形成于强风吹过干旱景观的地方，将尘土和颗粒吹到空中。它们出现在雷雨和前进的低气压锋面之前，带来强风。沙尘暴会引起呼吸问题，因为这些空气中的尘埃颗粒会被困在这些风暴中的人吸入。幻日或日晕是一种奇怪而罕见的现象，导致太阳看起来有两点亮光，在太阳两侧。这些幻日是由卷云或卷层云中的冰晶反射出围绕太阳的大光环，在太阳两侧大约 22 度处形成的。当天空中有稀薄的卷云时，这些幻日特别明亮，因为这些卷云会反射穿过它们的光线。
云的形成，大气中的水分
[edit | edit source]云层与大气中的水相变化密切相关：液态水、水蒸气和冰雪。地球表面附近对流层中的温度和气压变化会导致通过蒸发（液态 → 气态）、凝结（气态 → 液态）和降水（气态 → 液态或固态）过程形成这些相中的任何一种。液态水通过蒸发转化为气态，当激发的分子从加热的水源中逸出并以水蒸气的形式进入空气中时，就会发生蒸发。当蒸发的水分子数量与凝结的水分子数量相等时，空气就被认为在与水蒸气有关的情况下达到饱和。饱和空气是指在给定温度和压力下，其水蒸气浓度达到最大值时的空气。当空气中的水蒸气过饱和时，水就会凝结成液体，并且在天空形成可见的云。
想象一下，一架飞机上的喷气发动机在固定高度飞行，没有气压变化。通过喷气发动机的空气会被发动机加热，导致通过发动机排气管的空气中水蒸气处于未饱和状态，因为加热后的空气现在能够容纳更多的水分子。周围的水分子会涌入这股未饱和的空气，但当空气在喷气发动机及其热量通过几秒后开始冷却时，空气相对于水蒸气就会过饱和，水蒸气就会凝结成天空中的云线。这些凝结尾迹在天空划出一条路径，形成从地球表面可见的人造云。如果空气相对于水蒸气已经过饱和，并且喷气发动机穿过凝结水云，经过的喷气发动机可以加热空气，增加水蒸气的饱和度，并导致云消失。这些事件可以形成自然形成的云层中的降水孔或降水迹。
只要空气温度或压力从饱和状态变为过饱和状态，就会形成云层，水蒸气过饱和会导致液态水凝结，并在天空形成云。
道尔顿定律
[edit | edit source]1844 年 7 月 26 日的早晨，当年迈的约翰·道尔顿记录他当天的气象观测时，他颤抖着写下了公寓内的温度 60 度，公寓外的温度 71 度，气压计读数 30.18，西南风 1 级，以及观测结果 小雨。60、71、30.18 西南风 1 级，小雨。这是约翰·道尔顿从 1787 年开始记录的 200,000 多次天气记录中的最后一次，当时他只有 21 岁，尽管在 1794 年更加认真。现在，他已成为老人，他的一生都被他每天观察的天气记录着，总共 57 年的天气观测。第二天，他因中风去世，英格兰曼彻斯特的数千人参加了他的葬礼。他之所以出名，不是因为他认真记录天气，也不是因为他简陋的公寓和终身单身汉的坚韧生活，而是因为他对气体与压力之间关系的深刻理解，以及原子或气体分子包含不同大小质量的发现。
如今，大气科学家们知道他制定了道尔顿定律，该定律指出混合气体所施加的总压等于混合物中每种气体分压之和。例如，在海平面的空气中，在 101.3 kPa 的压力下，氮气将施加 78.1 kPa 的压力，氧气将施加 20.9 kPa 的压力，氩气将施加 0.97 kPa 的压力，水大约在 1.28 kPa 左右，二氧化碳将施加 0.05 kPa 的压力，这与每种气体在海平面正常空气中发现的气体混合物中的百分比直接相关。
这意味着如果向气体中添加水蒸气，则气体的总压将增加。水蒸气的饱和压是在任何给定温度下，气体混合物所能容纳的最大水蒸气量。如果添加的水蒸气超过水蒸气的饱和压，则气体将开始凝结，以液态水的形式出现，分子从气相迁移到液相。蒸气压不能超过此最大容量，因此任何高于饱和压的气体都会导致水的凝结。然而，空气可能处于未饱和状态。相对湿度是指空气中的水蒸气压与水蒸气饱和压或空气容纳水蒸气的最大容量之比。
如果相对湿度为 100%，则将发生水蒸气凝结。但是，如果相对湿度仅为 15%，则空气相对于水蒸气处于未饱和状态。水蒸气的饱和压取决于温度，温度越高，空气所能容纳的水蒸气就越多，例如，记录的 40 摄氏度大气气体，相对湿度为 95%，将包含比 0 摄氏度大气气体，相对湿度为 95% 的气体中更多总量的水蒸气。这种关系导致潮湿、闷热、炎热的天气，在液态水充足的地方，而寒冷的地区将更加干燥。炎热的地方，如缺乏液态水来源的干旱沙漠，例如大陆内部的沙漠，通常相对于水蒸气处于高度未饱和状态，湿度非常低，例如常见的 5% 到 25%。请注意，当相对湿度达到 100% 时，就会发生凝结，云、降水或雾就会形成。请注意，当温度下降时，水蒸气的饱和压会发生变化，导致相对湿度上升，而不会改变空气中的水蒸气量。如果这种冷却的空气达到 100% 的相对湿度，就会发生凝结，云层就会形成，这被称为露点。
绝热递减率
[edit | edit source]理解绝热递减率的最佳方式是将其想象成一条轨道，迫使空气或任何物质在不同的压力和温度下，随着海拔高度变化，遵循一条非常特定的路径。绝热递减率是温度和压力之间关系的结果。您可能已经观察到，当压缩空气罐内的气体释放时，罐体会变冷，甚至在其表面形成冰晶。另一方面，当增加轮胎内部的压力时，轮胎会因气压升高而变热。当空气膨胀时它会冷却，当空气被压缩时它会变热。想象一下热空气上升，当它上升时，空气会膨胀，导致空气在上升过程中冷却。想象一下冷空气下沉，由于受到更多压力的压缩，空气会变暖。这个过程被称为绝热过程，这意味着空气在不同海拔高度之间移动时，将在温度和海拔高度之间遵循一条狭窄的路径。这种绝热递减率每上升 1 公里，气温会下降 10 摄氏度（10°C/km）。在地表温度为 30 摄氏度的地区，上方 3 公里的空气温度为 0 摄氏度。如果该气团靠近地球，下降到距地球表面 2 公里的高度，该气团的温度将升高 20 摄氏度。重要的是要注意，绝热递减率是空气在不同压力下运动和膨胀/收缩的物理条件，而不是由地球的温度剖面引起的。如果大气各层之间没有温度差异，任何上升和膨胀的空气都会冷却，而任何下沉和收缩的空气都会变暖。
这种绝热递减率被称为干绝热递减率，因为我们假设空气是干燥的，低于水蒸气的饱和压力。然而，如果空气在上升过程中冷却，空气将达到一个点，它将无法容纳更多水蒸气，最终，随着海拔高度和冷却的增加，水蒸气的饱和压力将被达到，并发生凝结，此时将形成云。云层在高海拔形成是因为上升气团中的水蒸气浓度，使空气质量冷却到低于水蒸气的饱和压力。如果这些气团向上移动，它们通常会穿过这个点，在天空形成云层。如果空气迅速向上移动，并携带大量水蒸气，则这种水蒸气随高度凝结，可能导致大量的降雨或降雪。湿绝热递减率略低，平均每上升 1 公里气温下降 6 摄氏度（6°C/km）。绝热递减率是云层很少在地球表面附近形成，但在天空中较高的地方经常形成的原因。了解空气的上升和下降，以及使用气压计从地球表面观察到的压力变化，对于深入了解地球上风的本质和理解天气预报至关重要。
随着过去一个世纪二氧化碳和其他温室气体增加，对流层全球气温上升，科学家推测，随着时间的推移，世界将变得更加多云。任何全球云层覆盖的增加都会增加地球的反照率，导致更多阳光反射回太空。这将起到负反馈的作用，并使地球降温。发射到太空的卫星，如搭载在 NASA 的 Terra 和 Aqua 卫星上的仪器，以及像 NOAA 的高分辨率红外辐射计探测器 (HIRS) 这样的老卫星，一直在测量地球的云层覆盖。自 1978 年以来的结果表明，地球的云层覆盖没有向上或向下趋势，但 似乎在狭窄范围内逐年变化。观察到的轻微变化似乎反映了大气环流的增强，但自 1970 年代后期开始观测以来，云层覆盖没有净增加。
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