雲微物理
『壹』 雲和降水微物理學的雲滴的微物理特徵
大氣中的水汽凝結而成的雲滴很小,半徑大約10微米,濃度為每升一萬至一百萬個,下降的速度約 1厘米/秒,通常比雲中上升的氣流速度小得多,因而雲滴不能落出雲底。即使離開雲底而下降,也會在不飽和的空氣中迅速蒸發而消失。只有當雲滴通過各種微物理過程,集聚和轉化成為降水粒子後,才能降落到地面。
『貳』 雲和降水微物理學的降水的形成
在同一零下溫度時,冰面的飽和水汽壓比水面的小,故相對於水面飽和的環境水汽壓而言,冰面的水汽壓就是過飽和的,所以在溫度低於0℃的過冷雲中,一旦出現冰晶, 就可以迅速凝華增長。
伯傑龍根據這個道理,於1933年提出了降水粒子的生成機制。他認為:在低於0℃的雲中,有大量的過冷水滴存在,冰晶的出現,就破壞了雲中相態結構的穩定狀態;雲中水汽壓處於冰面和水面飽和值之間,水汽在冰面上不斷凝華的同時,水滴卻不斷蒸發;冰晶通過水汽的凝華,可迅速長大而成雪晶。這樣,水分從大量的過冷水滴中不斷轉移到少數冰晶上去,終於形成了降水粒子。這即為冰晶過程,又稱伯傑龍過程。 過冷水滴一方面蒸發,水汽向冰晶轉移,使冰晶長大;一方面又和雪晶碰撞而凍結,使雪晶進一步長大。如果參加碰撞而凍結的過冷水滴很多,雪晶就會轉化為球狀的霰粒。雪晶還可能在運動中相互粘連成雪團而下降這些固體降水粒子,在落到地面之前未融化者,就是雪霰等固體降水;落到溫度高於0℃的暖區時,就會融化成雨滴。
冰晶濃度在很多場合下高於環境的冰核濃度,這說明參與冰晶過程的冰晶,不僅從冰核作用過程中生成,而且當雪晶等固體降水粒子在-5℃左右和直徑大於24微米的過冷水滴碰撞凍結時,或者當鬆脆的枝狀冰晶碎裂時都可能產生一些碎冰粒。這種產生次生冰晶的過程,稱為冰晶繁生。
在中緯度地區,形成大范圍持續降水的層狀雲,往往比較深厚,雲頂常在0℃層以上:因而雲體的上部溫度較低,有大量冰核活化,這是產生冰晶的源地。冰晶長大之後降到雲體中部,那裡有大量的過冷水滴,可通過冰晶過程將水分供給冰晶,使冰晶繼續生長。故一般稱這種雲的上部為播種雲,中部為供應雲。在這種過程中長大的雪晶和雪團,落入下部0℃以上的暖雲中,就融化成為雨滴。在雷達熒光屏上,常可觀測到顯示這種融化過程的亮帶。
『叄』 雲為什麼會帶正負電,這與靜電有關嗎
有關。一般認為,雲帶的電是靜電。並且教科書上也說是摩擦帶電的。不過現在很多人都表示還有其他重要成因。其中最有代表性的有太陽影響說、地場影響說。不過這些都解釋不了一個現象:球狀閃電!一個光球,只有電荷,其他什麼都沒有!而且只在大雷雨的時候出現(這時空氣十分潮濕,不具備電荷聚積條件)。這個光球飄忽不定,能穿牆越壁,幾米遠就能炸死人,遇到了最好的做法就是一動不動,連氣也不要喘!現在科學很發達了也還有很多現象解釋不了。比如這個球狀閃電,如果弄明白了,製造出來肯定是綠色環保的超級武器。自然的魅力之一,就是有我們許多的意想不到。拋磚,希望有更多的老師出來給我們長長見識。
『肆』 為什麼天空的雲會帶有正負極的電,它們是怎麼形成的
雷雨雲是對流雲發展的成熟階段,它往往是從積雲發展起來的。發展完整的對流雲,其生命史可以分為以下三個階段:
形成階段:這一階段主要是從淡積雲向濃積雲發展。雲的垂直尺度有較大的增長,雲頂輪廓逐漸清楚,呈圓孤狀或菜花形,雲體聳立成塔狀。這樣的雲我們在盛夏常常看到。在形成階段中,雲中全部為比較規則的上升氣流,在雲的中、上部為最大上升氣流區。上升氣流的垂直廓線呈拋物線型。在形成階段,一般不會產生雷電。
成熟階段:從濃積雲發展成積雨雲,就伴隨雷電活動和降水,這是成熟階段的徵象。在成熟階段,雲除了有規則的上升氣流外,同時也有系統性的下沉氣流。上升氣流通常在雲的移動方向的前部。往往在雲的右前側觀測到最強的上升氣流。上升氣流一般在雲的中、上部達到最大值,可以超過25—30米/秒(見圖1)。
消散階段:一陣電閃雷鳴、狂風暴雨之後,雷雨雲就進入了消散階段。這時,雲中已為有規則的下沉氣流所控制。雲體逐漸崩潰,雲上部很快演變成中、高雲系,雲底有時還有一些碎積雲或碎層雲。
圖1 一塊雷雨雲的氣流結構示意圖
(二)雷雨雲的微物理結構:
一塊成熟的雷雨雲,其頂部可以伸展到-40℃的高度(約l萬米以上),而雲底部的溫度卻在10℃以上。由於雲體在垂直方向上跨過了這么寬的溫度范圍,因而雲中水汽凝結物的相態就很不一樣。在雲中有水滴,過冷卻水滴、雪晶、冰晶等(見圖2)。我們把雷雨雲按溫度高低來分層,便可以看:在溫度高於0℃的「暖層」的雲中,全部是水滴(包括雲滴),在溫度0至-8℃的雲層中,即有較多的過冷卻水滴(溫度低於0℃的水滴),也有一些雪晶、冰晶;在溫度低於-20℃的雲層中,由於過冷卻水滴自然凍結的概率大為增加,雲中冰晶的天然成冰核作用更為顯著,故雲中基本上都是雪晶和冰晶了。在成熟階段的雷雨雲中,發生著非常復雜的微物理過程,在雲的「暖層」,有水滴之間由於大小不同而發生的重力碰撞,也有湍流碰撞和電、聲碰撞過程。同時,有大水滴在氣流作用下發生變形,破碎而產生「連鎖反應」;還有由雲的「冷層」中掉到「暖層」中來的大雪花、霰等的融化等。在溫度0℃至-20℃的雲層中,水汽由液態往固態轉移十分活躍,冰、雪晶的粘連,大冰晶破碎等也很頻繁。在低於-20℃的雲層中,也還有冰晶之間的粘連和大冰晶的破碎過程發生。在雷雨雲中發生的所有這些微物理過程,都可以導致雲中水汽凝結物電學狀態的改變,對於雷雨雲的起電有十分重要的貢獻。
圖2 一塊雷雨雲的微物理結構示意圖
(三)雷雨雲起電機理
雷雨雲起電的機理目前主要有四種理論:
水滴破裂效應:雲中水滴在高速氣流中作激烈運動,分裂成一些帶負電的較大顆粒和帶正電的較小顆粒,後者同時被上升氣流攜帶到高空,前者落在低空,這樣正負兩種電荷便在雲層中被分離,這也就是造成90%的雲層下部帶負電的原因。
吸電荷效應:由於宇宙射線或其它電離作用,大氣中存在正負離子,又因為空間存在電場,在電場力的作用下正負離子在雲的上下層分別積累,從而使雷雨雲帶電,又稱感應起電。
水滴凍冰效應:水滴在結冰過程中會產生電荷,冰晶帶正電荷,水帶負電荷,當上升氣流把冰晶上的水分帶走時,就會導致電荷的分離,而使雷雨雲帶電。
溫差起電效應:實驗證明在冰塊中存在著正離子(H+)和負離子(OH-),在溫度發生變化時,離子發生擴散運動並相互分離。積雨雲中的冰晶和雹粒在對流的碰撞和摩擦運動中會造成溫度差異,並因溫差起電,帶電的離子又因重力和氣候作用而分離擴散,最後達到一定的動態平衡。
綜上所述,雷雨雲起電可能是某一機理也可能是多種機理的效應而產生的。
『伍』 趙春生的介紹
趙春生,北京大學物理學院大氣科學系教授,研究方向為大氣化學和雲降水物理學。主要研究內容包括大氣氣溶膠、雲物理學和輻射過程的相互作用,大氣氣溶膠和雲微物理的飛機觀測,區域臭氧研究,大氣化學的數值模擬以及衛星資料在大氣化學中的應用。主持和參加了多個國家自然科學基金課題。
『陸』 雲和降水微物理學的進展
對於雲和降水粒子形成、增長和轉化的規律的認識,主要是從理論研究和可控條件下的實驗中得到的。實際上,自然雲的環境和相應的微物理進程十分復雜,加上觀測方面的困難,對它們的認識還很粗淺。因此雲和降水微物理學的發展方向,主要是探測和研究以自然雲為宏觀背景的粒子群體的演變規律。
『柒』 雲和降水微物理學的雲滴的形成
成雲致雨要經過一系列復雜的微物理過程:濕空氣上升膨脹冷卻,其中的水汽達到飽和,並在一些吸濕性強的雲凝結核上,凝結而成初始雲滴的凝結核化過程;雲中的過冷水滴或水汽,在冰核上凍結或凝華以及在-40℃以下,自然凍結成初始冰晶胚胎的冰相生成過程;水汽在略高於飽和的條件下時,在雲滴(冰晶)上進一步凝結(凝華),使雲滴(冰晶)長大的凝結增長過程(凝華增長過程);雲內尺度較大的雲滴,在下落過程中與較小的雲滴碰並而長大的重力碰並過程;冰晶和過冷水滴同時存在時,因為過冷水滴的飽和水汽壓比冰面的大,造成過冷水滴逐漸蒸發,而冰晶則由於水汽的凝華而逐漸長大的冰晶過程。降水粒子的尺度大約是雲滴的一百倍,但其濃度卻僅為雲滴的百萬分之一。 雲滴由於受表面張力作用,通常呈球形。球形純水滴表面的飽和水汽壓,高於平水面的飽和水汽壓。以半徑為0.01微米的水滴為例,其飽和水汽壓超過平水面的12.5%。在沒有任何雜質的純凈空氣中,初始的雲滴只能靠水汽分子隨機碰撞而生成。靠分子隨機碰撞而產生雲滴的可能性隨著尺度增大而變小。
微小的初始雲滴,只有在相對濕度達百分之幾百的環境中才不致蒸發。但實際大氣的水汽含量很少能夠超過飽和值的1%。因此,在沒有雜質的純凈空氣中是難以直接形成雲滴的。事實上,大氣中存在著各種凝結核,這為凝結成雲滴提供了條件。 雲凝結核可分成兩類:親水性物質的大粒子,它不溶於水,但能吸附水汽,在其表面形成一層水膜,相當於一個較大的純水滴;含有可溶性鹽的氣溶膠微粒。它能吸收水汽而成為鹽溶液滴,屬吸濕性核。例如海鹽的飽和水溶液,只要環境相對濕度高於78%,就可以凝結長大。
隨著凝結水量的增加,溶液滴的濃度越來越小,所要求的飽和水汽壓也越高。但是,隨著凝結水量的增加,溶液滴的尺度也隨著增大,所要求的飽和水汽壓又隨尺度增大而降低。因此,不同濃度和不同尺度的溶液滴要求的飽和水汽壓值各不相同,當環境水汽壓大於相應的臨界值時,溶液滴即可繼續增長,隨著尺度的增大,溶液滴漸趨純水滴,這時溶液滴的飽和水汽壓也轉而下降,一個含千億分之一克食鹽的微粒,只要環境的相對濕度略大於100%,即可成為凝結核而生成雲滴。
在沒有雜質(冰核)的過冷水中,冰相的生成(水由氣態或液態轉化為固態)是由水分子自發聚集而向冰狀結構轉化的過程。聚集在一起的水分子簇,由於分子熱運動起伏(脈動)的結果,不斷形成和消失。分子簇出現的概率隨溫度的降低而增大。當分子簇的大小超過某臨界值時,就能繼續增大而形成初始冰晶胚胎。
直徑為幾微米的純凈水滴,只有在溫度低於-40℃時才會自發凍結;但當過冷水中存在雜質(冰核)時,在雜質表面力場的作用下,分子簇更容易形成冰晶胚胎。自然雲中冰晶的生成,主要依賴於雜質(冰核)的存在。在-20℃時,每升空氣中約有一個冰核,僅為同體積中雲凝結核濃度的幾十萬分之一。因此雲中冰晶的濃度,一般遠遠小於水滴的濃度。
雲中空氣上升而膨脹冷卻時,水汽不斷凝結。在凝結過程中,雲滴半徑的增長速度和雲中水汽的過飽和度成正比,與雲滴本身的大小成反比。所以在確定的水汽條件下,雲滴凝結增長越來越慢。在0.05%的過飽和條件下,一個由質量為十億分之一克食鹽生成的初始雲滴,從半徑為0.75微米開始,增長到1微米時需要0.15秒的時間,增長到10微米時需30分鍾,而增長到30微米時,就需要四小時以上的時間。
雖然水汽在少數大吸濕核上凝結之後,可產生大的雲滴,但如果要它繼續增長到半徑為100微米的毛毛雨,就需要更長的時間,而積雲本身的生命大約只有一小時,故在上述情況下不可能形成雨滴;在層狀雲中,氣流上升的速度,只有幾厘米每秒,當大雲滴在不斷下落的過程中,還來不及長成雨滴,就會越出雲底而蒸發掉。總之,在實際大氣中,單靠水汽凝結是不能產生雨滴的。 雲滴相互接近時,發生碰撞並合而形成更大雲滴的現象,稱為雲滴碰並增長。在重力場中下降的雲滴,半徑大的速度較快,可趕上小雲滴而發生碰撞並合,這稱為重力碰並。但半徑不同的雲滴相互接近時,由於小滴會隨著被大滴排開的空氣流繞過大滴,所以在大滴下落的路途中,只有一部分小滴能和大滴相碰。相碰的雲滴,也只有一部分能夠合並,其他則反彈開來。
碰並的比例稱為碰並系數,其數值由大小雲滴的半徑所決定,通常都小於1。半徑小於20微米的大雲滴對小雲滴的碰並系數很小。大雲滴穿過小雲滴組成的雲體時,其半徑在碰並過程中的增長率與碰並系數、大小雲滴之間的相對速度和小滴的含水量都成正比。大雲滴的半徑越大,碰並增長得就越快。
在實際大氣中,雲滴間的碰撞是一種隨機過程。雲中一部分大雲滴碰並小雲滴的機會比平均結果大,所以長得特別快;而其他雲滴的碰並速度,則比平均結果慢。由於雨滴的濃度只有大雲滴的千分之一左右,所以只需要考慮那些長得最快的少數大雲滴長成雨滴的過程。用這樣的概念建立起來的隨機碰並增長理論,所得到的雨滴生成時間,比連續增長的時間大大縮短,這與實際情況更加接近。
此外,氣流的湍流混合作用和雲滴在電場作用下的相互吸引,也能使雲滴相互接近而發生碰並。一般認為這兩種機制,主要是對小雲滴的增長起作用。由液態水構成的雲體,若有足夠的厚度、足夠的上升氣流速度和液態含水量,其中的大雲滴就可以在碰並過程中長大為雨滴。這種過程稱為暖雲降水過程。
『捌』 雲的正負離子是怎樣產生的
雷雨雲是對流雲發展的成熟階段,它往往是從積雲發展起來的。發展完整的對流雲,其生命史可以分為以下三個階段: 形成階段:這一階段主要是從淡積雲向濃積雲發展。雲的垂直尺度有較大的增長,雲頂輪廓逐漸清楚,呈圓孤狀或菜花形,雲體聳立成塔狀。這樣的雲我們在盛夏常常看到。在形成階段中,雲中全部為比較規則的上升氣流,在雲的中、上部為最大上升氣流區。上升氣流的垂直廓線呈拋物線型。在形成階段,一般不會產生雷電。 成熟階段:從濃積雲發展成積雨雲,就伴隨雷電活動和降水,這是成熟階段的徵象。在成熟階段,雲除了有規則的上升氣流外,同時也有系統性的下沉氣流。上升氣流通常在雲的移動方向的前部。往往在雲的右前側觀測到最強的上升氣流。上升氣流一般在雲的中、上部達到最大值,可以超過25—30米/秒(見圖1)。 消散階段:一陣電閃雷鳴、狂風暴雨之後,雷雨雲就進入了消散階段。這時,雲中已為有規則的下沉氣流所控制。雲體逐漸崩潰,雲上部很快演變成中、高雲系,雲底有時還有一些碎積雲或碎層雲。 圖1 一塊雷雨雲的氣流結構示意圖 (二)雷雨雲的微物理結構: 一塊成熟的雷雨雲,其頂部可以伸展到-40℃的高度(約l萬米以上),而雲底部的溫度卻在10℃以上。由於雲體在垂直方向上跨過了這么寬的溫度范圍,因而雲中水汽凝結物的相態就很不一樣。在雲中有水滴,過冷卻水滴、雪晶、冰晶等(見圖2)。我們把雷雨雲按溫度高低來分層,便可以看:在溫度高於0℃的「暖層」的雲中,全部是水滴(包括雲滴),在溫度0至-8℃的雲層中,即有較多的過冷卻水滴(溫度低於0℃的水滴),也有一些雪晶、冰晶;在溫度低於-20℃的雲層中,由於過冷卻水滴自然凍結的概率大為增加,雲中冰晶的天然成冰核作用更為顯著,故雲中基本上都是雪晶和冰晶了。在成熟階段的雷雨雲中,發生著非常復雜的微物理過程,在雲的「暖層」,有水滴之間由於大小不同而發生的重力碰撞,也有湍流碰撞和電、聲碰撞過程。同時,有大水滴在氣流作用下發生變形,破碎而產生「連鎖反應」;還有由雲的「冷層」中掉到「暖層」中來的大雪花、霰等的融化等。在溫度0℃至-20℃的雲層中,水汽由液態往固態轉移十分活躍,冰、雪晶的粘連,大冰晶破碎等也很頻繁。在低於-20℃的雲層中,也還有冰晶之間的粘連和大冰晶的破碎過程發生。在雷雨雲中發生的所有這些微物理過程,都可以導致雲中水汽凝結物電學狀態的改變,對於雷雨雲的起電有十分重要的貢獻。 圖2 一塊雷雨雲的微物理結構示意圖 (三)雷雨雲起電機理 雷雨雲起電的機理目前主要有四種理論: 水滴破裂效應:雲中水滴在高速氣流中作激烈運動,分裂成一些帶負電的較大顆粒和帶正電的較小顆粒,後者同時被上升氣流攜帶到高空,前者落在低空,這樣正負兩種電荷便在雲層中被分離,這也就是造成90%的雲層下部帶負電的原因。 吸電荷效應:由於宇宙射線或其它電離作用,大氣中存在正負離子,又因為空間存在電場,在電場力的作用下正負離子在雲的上下層分別積累,從而使雷雨雲帶電,又稱感應起電。 水滴凍冰效應:水滴在結冰過程中會產生電荷,冰晶帶正電荷,水帶負電荷,當上升氣流把冰晶上的水分帶走時,就會導致電荷的分離,而使雷雨雲帶電。 溫差起電效應:實驗證明在冰塊中存在著正離子(H+)和負離子(OH-),在溫度發生變化時,離子發生擴散運動並相互分離。積雨雲中的冰晶和雹粒在對流的碰撞和摩擦運動中會造成溫度差異,並因溫差起電,帶電的離子又因重力和氣候作用而分離擴散,最後達到一定的動態平衡。 綜上所述,雷雨雲起電可能是某一機理也可能是多種機理的效應而產生的
『玖』 雲和降水微物理學的介紹
雲和降水微物理學是研究雲粒子(雲滴、冰晶)和降水粒子(雨滴、雪花、霰粒、雹塊等)的形成、轉化和聚合增長的物理規律的學科。它是雲和降水物理學的重要組成部分,又是人工影響天氣的理論基礎。