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(jiàn)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(yáng)和月亮的光線很難透射過(guò)來(lái)，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(lái)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(guò)，特別是由冰晶組成的薄云，云絲在陽(yáng)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(yáng)和月亮光下仍會(huì)映出影子。有時(shí)云層薄得幾乎看不出來(lái)，但只要發(fā)現(xiàn)在日月附近有一個(gè)或幾個(gè)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(yáng)的一面，光線幾乎全部反射出來(lái)，因而看來(lái)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(guò)來(lái)，看起來(lái)比較灰黑。日出和日落時(shí)，由于太陽(yáng)光線是斜射過(guò)來(lái)的，穿過(guò)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(zhǎng)波部分，卻散射得不多，因而照射到大氣下層時(shí)，長(zhǎng)波光特別是紅光占著絕對(duì)的多數(shù)，這時(shí)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(guò)時(shí)，還會(huì)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(yáng)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(wèn)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(zhǎng)小三個(gè)量級(jí)。. ~8
“白云”、“烏云”問(wèn)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(zhǎng)相近，或是比后者大1～2個(gè)量級(jí)
太陽(yáng)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(duì)應(yīng)關(guān)系，而不是說(shuō)多色光引起的色覺(jué)由最強(qiáng)的單色成分決定。
“白”是多色光的綜合效果，是視覺(jué)效果。視覺(jué)意義上的多色光的“色”是屬于主觀的感覺(jué)，它與純客觀的單色光的“色”之間沒(méi)有必然的聯(lián)系。彩電屏幕能顯示黃、橙、紫等種“視覺(jué)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(jué)效果的 “三色光”。
瑞利定律(散射光強(qiáng)度反比于波長(zhǎng)的四次方)是專對(duì)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(shí)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(lái)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(yáng)光中占的比例本來(lái)就不大，因而天空呈現(xiàn)藍(lán)色。
從上午8時(shí)至下午4時(shí)，太陽(yáng)的直射光中遭到散射的部分是微不足道的。如果有哪個(gè)傻瓜愿意用肉眼直接看太陽(yáng)，那么他看到的就一定是白色圓盤(pán)，不可能是 “紅太陽(yáng)”。但是在日出和日落之時(shí)，人們看到的太陽(yáng)確實(shí)是紅色的，這是因?yàn)榇藭r(shí)的直射光線要在幾乎與地面相切的方向上長(zhǎng)距離地穿過(guò)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(duì)優(yōu)勢(shì)。
盡管日出和日落之時(shí)的直射光是紅色的，但夕陽(yáng)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(lái)自天空的散射光。這時(shí)的大氣和云朵不是對(duì)白光進(jìn)行散射，而是對(duì)已被濃密的大氣過(guò)濾過(guò)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(duì)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(wú)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(guò)幾次折射后的透射光。
白云和烏云在“含水量”方面會(huì)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(gè)云朵的含水量，也可以被理解為單個(gè)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(gè)天空，白云卻做不到。由此可見(jiàn)，就總趨勢(shì)來(lái)說(shuō)，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(lái)解釋了。如果“含水量”是指“單個(gè)水滴的含水量”，那就準(zhǔn)確了。
從云的形成過(guò)程來(lái)看，烏云如果不是從別處飄來(lái)的，那就必定是由白云變來(lái)的。白云則不同，它除了可以從別處飄來(lái)或是由烏云變來(lái)以外，還可以在萬(wàn)里晴空的背景上突然“創(chuàng)生”。我在研究太陽(yáng)能問(wèn)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(jiàn)過(guò)烏云能從藍(lán)天背景上突然冒出來(lái)。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(duì)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(lái)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(guò)飽和狀態(tài);高空總會(huì)有一些灰塵，成為凝聚中心，使飽和蒸汽和過(guò)飽和蒸汽凝成細(xì)小的霧滴;霧滴足夠密集時(shí)，就成為肉眼可見(jiàn)的白云;霧滴越來(lái)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(kāi)始蒸發(fā)，體積越來(lái)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(shuō)明問(wèn)題。在這種突變中，總水量基本上未變，太陽(yáng)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(lái)之時(shí)，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(wú)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(méi)有差別，這是因?yàn)榇笏魏托∷螌?duì)于可見(jiàn)光來(lái)說(shuō)都是無(wú)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(lái)對(duì)白云和烏云作定量的比較。`
就單個(gè)水滴來(lái)說(shuō)，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(gè)常數(shù)，與水滴的大小無(wú)關(guān)。但就整個(gè)云團(tuán)來(lái)說(shuō)，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(gè)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(gè)水滴的散射截面就應(yīng)當(dāng)擴(kuò)大為原來(lái)的 4倍，而水滴總數(shù)則縮小為原來(lái)的 1/8，意味著總散射截面是原先的一半。由此可見(jiàn)，如果白云團(tuán)中的水滴是屬于微米級(jí)，烏云云團(tuán)中的水滴是屬于亞毫米級(jí)(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(shí)碧空無(wú)云，有時(shí)白云朵朵，有時(shí)又是烏云密布。為什么天上有時(shí)有云，有時(shí)又沒(méi)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(shí)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(dòng)、植物的水分，隨時(shí)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(huì)逐漸降低，到了一定高度，空氣中的水汽就會(huì)達(dá)到飽和。如果空氣繼續(xù)被抬升，就會(huì)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(shí)，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(guò)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(cè)云塊占據(jù)天空的面積來(lái)估計(jì)。因?yàn)槭悄繙y(cè)，當(dāng)然并不十分準(zhǔn)確，但也沒(méi)有更好的辦法，全世界的氣象站至今還是用這種目測(cè)方法估計(jì)云量。天氣預(yù)報(bào)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(gè)天空劃分為10等份，碧空無(wú)云或被云遮蔽不到0.5份時(shí)，云量為“0”;云遮蓋天空一半時(shí)，云量為“5”。云量多時(shí)，應(yīng)估計(jì)露出的青天，再推算出云量。云量少時(shí)，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(shí)，云量為“l”;云塊占天空2/10時(shí)，云量為“3”，余類推。
天空無(wú)云，或者雖有零星云層，但云量不到2成時(shí)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(shí)，稱為少云;中、低云的云量為4～7，高云的云量為6～10時(shí)，稱為多云。一般說(shuō)來(lái)，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(dòng)慢的云較高，移動(dòng)快的云較低。
這樣做提供了一個(gè)判斷天氣的數(shù)量標(biāo)準(zhǔn)，和過(guò)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(jiàn)太陽(yáng)光為晴;以天空云層密布，陽(yáng)光罕見(jiàn)，或天色陰暗時(shí)為陰。
看了烏云是怎么形成的還看：