烏云是怎么形成的_烏云的形成的原因(2)
云的顏色
天空有各種不同顏色的云，有的潔白如絮，有的是烏黑一塊，有的是灰蒙蒙一片，有的發(fā)出紅色和紫色的光彩。這里面，云的厚薄決定了顏色，我們所見到的各種云的厚薄相差很大，厚度可達(dá)7-8公里，薄的只有幾十米。有滿布天空的層狀云，孤立的積狀云，以及波狀云等許多種。很厚的層狀云，或者積雨云，太陽和月亮的光線很難透射過來，看上去云體就很黑;稍微薄一點(diǎn)的層狀云和波狀云，看起來是灰色，特別是波狀云，云塊邊緣部分，色彩更為灰白;很薄的云，光線容易透過，特別是由冰晶組成的薄云，云絲在陽光下顯得特別明亮，帶有絲狀光澤，天空即使有這種層狀云，地面物體在太陽和月亮光下仍會映出影子。有時云層薄得幾乎看不出來，但只要發(fā)現(xiàn)在日月附近有一個或幾個大光環(huán)，仍然可以斷定有云，這種云叫做“薄幕卷層云”。孤立的積狀云，因云層比較厚，向陽的一面，光線幾乎全部反射出來，因而看來是白色的;而背光的一面以及它的底部，光線就不容易透射過來，看起來比較灰黑。日出和日落時，由于太陽光線是斜射過來的，穿過很厚的大氣層，空氣的分子、水汽和雜質(zhì)，使得光線的短波部分大量散射;而紅、橙色的長波部分，卻散射得不多，因而照射到大氣下層時，長波光特別是紅光占著絕對的多數(shù)，這時不僅日出、日落方向的天空是紅色的，就連被它照亮的云層底部和邊緣也變成紅色了。由于云的組成有的是水滴，有的是冰晶，有的是兩者混雜在一起的，因而日月光線通過時，還會造成各種美麗的光環(huán)或彩虹。
白云為什么是白色，烏云為什么是黑色?天空為什么是藍(lán)色，太陽為什么是紅色?
散射有瑞利散射、丁鐸爾散射、喇曼散射之分。
“藍(lán)天”、“紅日”問題屬于瑞利散射類，散射中心是氣體分子，其尺寸比光波的波長小三個量級。. ~8
“白云”、“烏云”問題屬于丁鐸爾散射類，散射中心是透明的液滴，其尺寸多半在微米與亞毫米之間，即與光波的波長相近，或是比后者大1～2個量級
太陽的本色既不是紅色，又不是綠色，而是白色。維恩定律是揭示黑體輻射譜中最強(qiáng)的單色成分與溫度之間的對應(yīng)關(guān)系，而不是說多色光引起的色覺由最強(qiáng)的單色成分決定。
“白”是多色光的綜合效果，是視覺效果。視覺意義上的多色光的“色”是屬于主觀的感覺，它與純客觀的單色光的“色”之間沒有必然的聯(lián)系。彩電屏幕能顯示黃、橙、紫等種“視覺單色”，但這些色中實(shí)際上完全不含黃、橙、紫的單色成分，它們都是由紅、藍(lán)、綠三種單色成分按適當(dāng)?shù)谋壤涑傻木哂袉紊曈X效果的 “三色光”。
瑞利定律(散射光強(qiáng)度反比于波長的四次方)是專對分子散射而言的。利用瑞利定律不難證明：白光受散射后，散射光中的藍(lán)光(～0.45μm左右)的強(qiáng)度是紅光(～0.65μm左右)的4～6倍。
白天除了早晨和黃昏時分以外，人們視野內(nèi)的大氣基本上是受到白光的照射。晴天來自天空的光都是空氣分子的散射光，其中藍(lán)、靛、紫成分占80%左右。靛、紫兩種成分在太陽光中占的比例本來就不大，因而天空呈現(xiàn)藍(lán)色。
從上午8時至下午4時，太陽的直射光中遭到散射的部分是微不足道的。如果有哪個傻瓜愿意用肉眼直接看太陽，那么他看到的就一定是白色圓盤，不可能是 “紅太陽”。但是在日出和日落之時，人們看到的太陽確實(shí)是紅色的，這是因?yàn)榇藭r的直射光線要在幾乎與地面相切的方向上長距離地穿過稠密的大氣層，直射光中的每一種單色成分都按指數(shù)律衰減，短波成分迅速消逝了，最終自然是紅光占絕對優(yōu)勢。
盡管日出和日落之時的直射光是紅色的，但夕陽斜照下的白色墻壁不是呈現(xiàn)紅色，而是呈現(xiàn)橙黃色。這是因?yàn)?，墻壁不僅接受到紅色的直射光，還接受到來自天空的散射光。這時的大氣和云朵不是對白光進(jìn)行散射，而是對已被濃密的大氣過濾過的以黃橙為主的直射光進(jìn)行散射。散射光的光源亮度雖遠(yuǎn)不及直射光的光源，但其面積遠(yuǎn)大于直射光的光源。
白云和烏云都是由小水滴組成的。瑞利定律對小水滴不適用，因?yàn)樵摱墒且詺怏w分子的二次發(fā)射為依據(jù)的，而小水滴是比納米粒子還要大的無色透明的球透鏡。它的所謂“散射光”實(shí)際上是反射光以及經(jīng)過幾次折射后的透射光。
白云和烏云在“含水量”方面會有些差別，但“含水量”的提法是有點(diǎn)含糊的，詞不達(dá)意。它可以被理解為整個云朵的含水量，也可以被理解為單個水滴的含水量。這兩種理解都有一定根據(jù)。烏云能布滿整個天空，白云卻做不到。由此可見，就總趨勢來說，烏云的含水量一般大于白云。但是，天空里的一絲云既可以是白云又可以是烏云，大片的云也有“白”、“烏”兩種可能性，夏日巨大的白云團(tuán)能在一瞬間變成翻滾的烏云團(tuán)，這就不能用含水量來解釋了。如果“含水量”是指“單個水滴的含水量”，那就準(zhǔn)確了。
從云的形成過程來看，烏云如果不是從別處飄來的，那就必定是由白云變來的。白云則不同，它除了可以從別處飄來或是由烏云變來以外，還可以在萬里晴空的背景上突然“創(chuàng)生”。我在研究太陽能問題期間曾非常留意天空中云情的變化，多次看到，藍(lán)天背景能在我目不轉(zhuǎn)睛的幾分鐘里由藍(lán)色變成粉藍(lán)色，再變成邊緣模糊的淡淡的白云片以至變成有清晰邊緣的白云朵。從未見過烏云能從藍(lán)天背景上突然冒出來。我還注意到：白云變成烏云多半是在雨前，烏云變成白云多半是在雨后。對此類現(xiàn)象的解釋是：夏日地表水在烈日下迅速蒸發(fā)，使空氣濕度越來越大;高空的溫度低于地表溫度，因而水蒸氣首先在高空到達(dá)飽和狀態(tài)和過飽和狀態(tài);高空總會有一些灰塵，成為凝聚中心，使飽和蒸汽和過飽和蒸汽凝成細(xì)小的霧滴;霧滴足夠密集時，就成為肉眼可見的白云;霧滴越來越大，白云就變成為烏云;烏云中的水滴繼續(xù)變大，就變成雨滴;雨后空氣的濕度變小，水蒸氣重新回到不飽和的狀態(tài)，烏云中的小水滴開始蒸發(fā)，體積越來越小，這樣就使烏云變成白云;白云中的霧滴繼續(xù)不斷地蒸發(fā)，一旦全部汽化，白云就消失了，重新露出青天。
白云為何“白”?烏云為何“烏”?夏日白云團(tuán)在一瞬間變成烏云團(tuán)的例子最能說明問題。在這種突變中，總水量基本上未變，太陽光的投射角也基本上未變，顯眼的變化是“由白變?yōu)?rdquo;。這種事情總是發(fā)生在雷雨即將到來之時，這就表明“由白變?yōu)?rdquo;是水滴“由小變大”的結(jié)果。烏云并不是無亮度的“黑云”，而是有亮度的，并且其散射光實(shí)際上也還是白光，與白云的散射光在光譜方面沒有差別，這是因?yàn)榇笏魏托∷螌τ诳梢姽鈦碚f都是無色透明球透鏡，散射光的顏色由入射光的顏色決定。一旦明確了這一點(diǎn)，我們就能利用“亮度”來對白云和烏云作定量的比較。`
就單個水滴來說，散射光在特定方向上的通量與入射光的通量之比應(yīng)當(dāng)是一個常數(shù)，與水滴的大小無關(guān)。但就整個云團(tuán)來說，散射光的總通量與入射光的總通量之比就不是常數(shù)了。單個水滴的散射截面正比于線度的平方，體積和質(zhì)量正比于線度的立方。這就意味著：在云團(tuán)總質(zhì)量和總體積不變的情況下，如果水滴的半徑增大一倍，那么單個水滴的散射截面就應(yīng)當(dāng)擴(kuò)大為原來的 4倍，而水滴總數(shù)則縮小為原來的 1/8，意味著總散射截面是原先的一半。由此可見，如果白云團(tuán)中的水滴是屬于微米級，烏云云團(tuán)中的水滴是屬于亞毫米級(即100微米),那么白云的亮度就應(yīng)當(dāng)是烏云的100倍。
云的成因
人們常?？吹教炜沼袝r碧空無云，有時白云朵朵，有時又是烏云密布。為什么天上有時有云，有時又沒有云呢?云究竟是怎樣形成的呢? 它又是由有什么組成的?
漂浮在天空中的云彩是由許多細(xì)小的水滴或冰晶組成的，有的是由小水滴或小冰晶混合在一起組成的。有時也包含一些較大的雨滴及冰、雪粒，云的底部不接觸地面，并有一定厚度。
云的形成主要是由水汽凝結(jié)造成的。
我們都知道，從地面向上十幾公里這層大氣中，越靠近地面，溫度越高，空氣也越稠密;越往高空，溫度越低，空氣也越稀薄。
另一方面，江河湖海的水面，以及土壤和動、植物的水分，隨時蒸發(fā)到空中變成水汽。水汽進(jìn)入大氣后，成云致雨，或凝聚為霜露，然后又返回地面，滲入土壤或流入江河湖海。以后又再蒸發(fā)(升華)，再凝結(jié)(凝華)下降。周而復(fù)始，循環(huán)不已。
水汽從蒸發(fā)表面進(jìn)入低層大氣后，這里的溫度高，所容納的水汽較多，如果這些濕熱的空氣被抬升，溫度就會逐漸降低，到了一定高度，空氣中的水汽就會達(dá)到飽和。如果空氣繼續(xù)被抬升，就會有多余的水汽析出。如果那里的溫度高于0°C，則多余的水汽就凝結(jié)成小水滴;如果溫度低于0°C，則多余的水汽就凝化為小冰晶。在這些小水滴和小冰晶逐漸增多并達(dá)到人眼能辨認(rèn)的程度時，就是云了。[2]
地面上的水吸熱變成水蒸氣，上升到天空蒸汽層上層。由于蒸汽層上層溫度低，水蒸氣體積縮小比重增大，蒸汽下降。由于蒸汽層下面溫度高，下降過程中吸熱，再度上升遇冷，再下降，如此反復(fù)氣體分子逐漸縮小，最后集中在蒸汽層底層。在底層形成低溫區(qū)，水蒸氣向低溫區(qū)集中，這就形成云。
云量晴陰
云量多少，全憑目測云塊占據(jù)天空的面積來估計(jì)。因?yàn)槭悄繙y，當(dāng)然并不十分準(zhǔn)確，但也沒有更好的辦法，全世界的氣象站至今還是用這種目測方法估計(jì)云量。天氣預(yù)報廣播中的晴、少云、多云和陰，就是根據(jù)云量的多少劃分的。
通常將整個天空劃分為10等份，碧空無云或被云遮蔽不到0.5份時，云量為“0”;云遮蓋天空一半時，云量為“5”。云量多時，應(yīng)估計(jì)露出的青天，再推算出云量。云量少時，則直接估計(jì)云所遮蔽天空的份數(shù)，如云塊占全部天空的1/10時，云量為“l”;云塊占天空2/10時，云量為“3”，余類推。
天空無云，或者雖有零星云層，但云量不到2成時稱為晴;低云量在8成以上稱為陰;中、低云的云量為1～3，高云的云量為4～5時，稱為少云;中、低云的云量為4～7，高云的云量為6～10時，稱為多云。一般說來，當(dāng)天空被云掩蔽，顏色發(fā)白，地上東西顯得明亮?xí)r，這種云較高。相反，云色呈灰或灰黑色，顯得陰沉，這種云則較低。移動慢的云較高，移動快的云較低。
這樣做提供了一個判斷天氣的數(shù)量標(biāo)準(zhǔn)，和過去的習(xí)慣稍有不同。例如，習(xí)慣上以雨停而云散，或有云仍見太陽光為晴;以天空云層密布，陽光罕見，或天色陰暗時為陰。
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