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一朵云的重量将近 50 万公斤,那为什么它不掉下来?

图片:4504097 / CC0

一朵云的重量将近50万公斤,那为什么它不掉下来?

贾明子,化学工程,玻尔兹曼门下走狗

谢邀。

高赞回答 @许小然 用终端速度解释了云为何不会掉下来。从局部和微观的角度是很科学的,但是还远远不够。这只解释了云层为何不会像砖头那样快速掉下来,并不能解释为何它不会缓慢下沉。

因为即使液滴可以掉下来,它在下降的过程中也蒸发掉了,也就不是云了

我这里从宏观的大气运动解释一下。

云是怎么形成的?一言蔽之,是由于地面的上升空气在高空冷却,达到露点以下后,蒸汽开始冷凝成为小液滴,从而形成云

但是云为何是相对稳定的呢?

其实这个问题并不对,并不是所有的云都相对稳定。有很多不稳定的云,例如积雨云。

这里面有空气动力学的原因。地面的空气受到地面温度加热开始上升。我们可以想象一团气流(就像包裹在热气球里面)。当它上升的时候,由于压力的下降,它会膨胀,膨胀导致对外做功,进而导致温度下降。当还没有蒸汽冷凝的时候,这个温度下降的速度大约是10℃/公里(这个叫做干绝热直减率,DALR,Dry Adiabatic Lapse Rate)。而大气环境的自然温度下降大约是6.5℃/公里(这个叫做环境直减率,ELR,Environment Lapse Rate)。因而在这个时候,上升气流冷却的速度要快于环境冷却速度

当温度下降到露点之后,气流中的水蒸气开始冷凝。冷凝过程中放热,因而这时候气流的温度下降速率就会变慢,一般在6℃/公里上下(湿绝热直减率,MALR,Moist Adiabatic Lapse Rate)。这个时候,上升气流的冷却速度往往慢于环境冷却速度

不论如何,当上升气流在不停上升的时候,它的温度下降,进而密度增加。当它的冷却速度快于环境的冷却速度时(DALR>ELR),由于浮力效应,它就会渐渐有下沉的趋势,渐渐抵消它的上升趋势。

如果当液滴开始形成时,它的下沉趋势仍然不足以完全抵抗上升趋势,它就会持续上升。已经没有什么可以让它停下来了,因为这时候开始,它的冷却速度变慢了,它的变冷速度不如环境的变冷速度(MALR<ELR )。于是它就总是比环境温度高,直接的后果就是它越来越上升,温度越来越低,冷凝越来越多,最终云层崩溃,形成雨。这叫做不稳定云

但是,当开始冷凝的时候,它已经比环境温度冷了,于是就出现了下沉的趋势,那么它就不会继续上升,而是四散开来,转而以对流的方式下沉。因而液滴就不会继续冷凝,就不会出现雨。这就是为何我们在晴天的时候看到的云是大致在同一个高度平铺开的。

那么,问题来了,既然此时气流开始下沉,为何云层不会跟着下降呢?

很简单,当气流下沉的时候,温度开始升高了。因而小液滴就又蒸发掉了。也就是说,云层是在下降的,只不过下降后它就不是云了,因而你也就看不到了。而在这个高度的云层,则被不断上升的气流带来的湿气补充。因此你看到的就是一个稳定的云层。

当然,大气对流和云层变化是一个非常复杂的现象,有各种不同的云有不同的形成机理。这里只是简化言之。具体请参照气象学原理。


更新:

大佬翻牌子啦!补充一个网上扒过来的图吧:

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