小的时候大家都看过四大名著之一《西游记》吧,对于孙悟空能够驾驶“七彩祥云”“腾云驾雾”自由穿梭很是羡慕,那你知道孙悟空的云是如何形成的吗?
云的形成
我们生活在大自然界中,在自然界中像海洋,植物表面,湖泊,土地的水分,以及人体都在无时无刻蒸发着,水就会从液态水变成水汽。
根据阿伏伽德罗定律,在同温同压下,相同体积内的空气中拥有的分子数相同。我们知道,空气中的主要成分是氮气和氧气,而水分子是由两个最轻的氢原子和1个氧原子组成,所以水分子相对于空气而言更轻。
如果区域内空气中含有的水分子较多,那么该区域的空气就较轻,所以该区域的空气就会上升。为了方便理解,我们可以把该区域的空气想象成是充满了水分子的气球。
然而在“气球”上升的过程中,外界的气压以及温度都在发生变化,导致上方空气的密度不如下方空气,此时“气球”就会发生膨胀,但在膨胀的过程中自身也会消耗一定的热量,导致温度降低。
当温度降低到足够低的程度时,水分子就会和空气中的微尘为伴,析出水分并凝结为小水滴。如果空气中的温度足够低,就会凝结成小冰晶。
当空气中的小水滴或小冰晶达到一定数量时,受到上升气流的支托漂浮在空中,就会形成我们肉眼所见的云。
云为什么不会掉下来?
在大家印象中,肉眼可见的云像棉花糖一样软绵绵、轻飘飘,但真实的云,尤其是云团是有重量的,而且重量超乎大家的想象,根据科罗拉多博尔国家大气研究数据表明,积雨云的重量平均重110万磅,相当于100头大象的重量。
既然云那么重,那它究竟是怎么漂浮起来的呢?答案其实和组成云的小水滴有关。
我们知道的云是由上亿万个小水滴或者小冰晶组成,这些小水滴以及小冰晶的直径大概约2微米宽,比人类的头发还小。
这些小冰晶会受到地球的引力向下坠落,但由于自己的体积、质量实在是太小了,以至于降落的速度非常慢。
然而小冰晶在降落的过程中,会受到空气阻力的摩擦而重新蒸发形成水汽,这些水汽又会凝结在微尘周围,重新形成小水滴或者小冰晶。
也就是说,云并不是一成不变的,而是组成云的小水滴一直在进行蒸发、凝结,形成了动态平衡的云,所以云层才没有掉落下来。
虽然小水珠在坠落的过程中也会受到空气摩擦而蒸发一部分水汽,但直径超过0.15毫米的雨滴下落1000米才会完全蒸发,而直径10微米的雨滴每下落2厘米就会完全蒸发。
也就是说,如果小水珠的直径足够大,并且云层足够低,那么还没等小水珠完全蒸发就会落在地面上,此时就会形成“雨”或者“雪”。
1802年卢克·霍华德经过多年的研究观测,在科学研讨会上发表了关于云的演讲,此次演讲改变了人们对于云的认识。
霍华德发现,虽然云变幻莫测,但主要有3种形态:积云、层云和卷云。
总结
云的形成和水分子的蒸发有关,由于水分子相对于空气而言更轻,所以当空气中的水分子含量较高时,携带水分子的空气就会上升,直到因温度和压强变低而导致水份析出。
如果空气中的小水珠直径不大,那么就会形成云,如果直径超过0.15毫米,大概率会形成雨。