云微物理

『壹』 云和降水微物理学的云滴的微物理特征

大气中的水汽凝结而成的云滴很小，半径大约10微米，浓度为每升一万至一百万个，下降的速度约 1厘米/秒，通常比云中上升的气流速度小得多，因而云滴不能落出云底。即使离开云底而下降，也会在不饱和的空气中迅速蒸发而消失。只有当云滴通过各种微物理过程，集聚和转化成为降水粒子后，才能降落到地面。

『贰』 云和降水微物理学的降水的形成

在同一零下温度时，冰面的饱和水汽压比水面的小，故相对于水面饱和的环境水汽压而言，冰面的水汽压就是过饱和的，所以在温度低于0℃的过冷云中，一旦出现冰晶， 就可以迅速凝华增长。
伯杰龙根据这个道理，于1933年提出了降水粒子的生成机制。他认为：在低于0℃的云中，有大量的过冷水滴存在，冰晶的出现，就破坏了云中相态结构的稳定状态；云中水汽压处于冰面和水面饱和值之间，水汽在冰面上不断凝华的同时，水滴却不断蒸发；冰晶通过水汽的凝华，可迅速长大而成雪晶。这样，水分从大量的过冷水滴中不断转移到少数冰晶上去，终于形成了降水粒子。这即为冰晶过程，又称伯杰龙过程。 过冷水滴一方面蒸发，水汽向冰晶转移，使冰晶长大；一方面又和雪晶碰撞而冻结，使雪晶进一步长大。如果参加碰撞而冻结的过冷水滴很多，雪晶就会转化为球状的霰粒。雪晶还可能在运动中相互粘连成雪团而下降这些固体降水粒子，在落到地面之前未融化者，就是雪霰等固体降水；落到温度高于0℃的暖区时，就会融化成雨滴。
冰晶浓度在很多场合下高于环境的冰核浓度，这说明参与冰晶过程的冰晶，不仅从冰核作用过程中生成，而且当雪晶等固体降水粒子在-5℃左右和直径大于24微米的过冷水滴碰撞冻结时，或者当松脆的枝状冰晶碎裂时都可能产生一些碎冰粒。这种产生次生冰晶的过程，称为冰晶繁生。
在中纬度地区，形成大范围持续降水的层状云，往往比较深厚，云顶常在0℃层以上：因而云体的上部温度较低，有大量冰核活化，这是产生冰晶的源地。冰晶长大之后降到云体中部，那里有大量的过冷水滴，可通过冰晶过程将水分供给冰晶，使冰晶继续生长。故一般称这种云的上部为播种云，中部为供应云。在这种过程中长大的雪晶和雪团，落入下部0℃以上的暖云中，就融化成为雨滴。在雷达荧光屏上，常可观测到显示这种融化过程的亮带。

『叁』 云为什么会带正负电，这与静电有关吗

有关。一般认为，云带的电是静电。并且教科书上也说是摩擦带电的。不过现在很多人都表示还有其他重要成因。其中最有代表性的有太阳影响说、地场影响说。不过这些都解释不了一个现象：球状闪电！一个光球，只有电荷，其他什么都没有！而且只在大雷雨的时候出现（这时空气十分潮湿，不具备电荷聚积条件）。这个光球飘忽不定，能穿墙越壁，几米远就能炸死人，遇到了最好的做法就是一动不动，连气也不要喘！现在科学很发达了也还有很多现象解释不了。比如这个球状闪电，如果弄明白了，制造出来肯定是绿色环保的超级武器。自然的魅力之一，就是有我们许多的意想不到。抛砖，希望有更多的老师出来给我们长长见识。

『肆』 为什么天空的云会带有正负极的电，它们是怎么形成的

雷雨云是对流云发展的成熟阶段，它往往是从积云发展起来的。发展完整的对流云，其生命史可以分为以下三个阶段：

形成阶段：这一阶段主要是从淡积云向浓积云发展。云的垂直尺度有较大的增长，云顶轮廓逐渐清楚，呈圆孤状或菜花形，云体耸立成塔状。这样的云我们在盛夏常常看到。在形成阶段中，云中全部为比较规则的上升气流，在云的中、上部为最大上升气流区。上升气流的垂直廓线呈抛物线型。在形成阶段，一般不会产生雷电。

成熟阶段：从浓积云发展成积雨云，就伴随雷电活动和降水，这是成熟阶段的征象。在成熟阶段，云除了有规则的上升气流外，同时也有系统性的下沉气流。上升气流通常在云的移动方向的前部。往往在云的右前侧观测到最强的上升气流。上升气流一般在云的中、上部达到最大值，可以超过25—30米／秒(见图1)。

消散阶段：一阵电闪雷鸣、狂风暴雨之后，雷雨云就进入了消散阶段。这时，云中已为有规则的下沉气流所控制。云体逐渐崩溃，云上部很快演变成中、高云系，云底有时还有一些碎积云或碎层云。

图1 一块雷雨云的气流结构示意图

（二）雷雨云的微物理结构：

一块成熟的雷雨云，其顶部可以伸展到－40℃的高度(约l万米以上)，而云底部的温度却在10℃以上。由于云体在垂直方向上跨过了这么宽的温度范围，因而云中水汽凝结物的相态就很不一样。在云中有水滴，过冷却水滴、雪晶、冰晶等(见图2)。我们把雷雨云按温度高低来分层，便可以看：在温度高于0℃的“暖层”的云中，全部是水滴(包括云滴)，在温度0至－8℃的云层中，即有较多的过冷却水滴(温度低于0℃的水滴)，也有一些雪晶、冰晶；在温度低于－20℃的云层中，由于过冷却水滴自然冻结的概率大为增加，云中冰晶的天然成冰核作用更为显著，故云中基本上都是雪晶和冰晶了。在成熟阶段的雷雨云中，发生着非常复杂的微物理过程，在云的“暖层”，有水滴之间由于大小不同而发生的重力碰撞，也有湍流碰撞和电、声碰撞过程。同时，有大水滴在气流作用下发生变形，破碎而产生“连锁反应”；还有由云的“冷层”中掉到“暖层”中来的大雪花、霰等的融化等。在温度0℃至－20℃的云层中，水汽由液态往固态转移十分活跃，冰、雪晶的粘连，大冰晶破碎等也很频繁。在低于－20℃的云层中，也还有冰晶之间的粘连和大冰晶的破碎过程发生。在雷雨云中发生的所有这些微物理过程，都可以导致云中水汽凝结物电学状态的改变，对于雷雨云的起电有十分重要的贡献。

图2 一块雷雨云的微物理结构示意图

（三）雷雨云起电机理

雷雨云起电的机理目前主要有四种理论：

水滴破裂效应：云中水滴在高速气流中作激烈运动，分裂成一些带负电的较大颗粒和带正电的较小颗粒，后者同时被上升气流携带到高空，前者落在低空，这样正负两种电荷便在云层中被分离，这也就是造成90％的云层下部带负电的原因。

吸电荷效应：由于宇宙射线或其它电离作用，大气中存在正负离子，又因为空间存在电场，在电场力的作用下正负离子在云的上下层分别积累，从而使雷雨云带电，又称感应起电。

水滴冻冰效应：水滴在结冰过程中会产生电荷，冰晶带正电荷，水带负电荷，当上升气流把冰晶上的水分带走时，就会导致电荷的分离，而使雷雨云带电。

温差起电效应：实验证明在冰块中存在着正离子（H+）和负离子（OH-），在温度发生变化时，离子发生扩散运动并相互分离。积雨云中的冰晶和雹粒在对流的碰撞和摩擦运动中会造成温度差异，并因温差起电，带电的离子又因重力和气候作用而分离扩散，最后达到一定的动态平衡。

综上所述，雷雨云起电可能是某一机理也可能是多种机理的效应而产生的。

『伍』 赵春生的介绍

赵春生，北京大学物理学院大气科学系教授，研究方向为大气化学和云降水物理学。主要研究内容包括大气气溶胶、云物理学和辐射过程的相互作用，大气气溶胶和云微物理的飞机观测，区域臭氧研究，大气化学的数值模拟以及卫星资料在大气化学中的应用。主持和参加了多个国家自然科学基金课题。

『陆』 云和降水微物理学的进展

对于云和降水粒子形成、增长和转化的规律的认识，主要是从理论研究和可控条件下的实验中得到的。实际上，自然云的环境和相应的微物理进程十分复杂，加上观测方面的困难，对它们的认识还很粗浅。因此云和降水微物理学的发展方向，主要是探测和研究以自然云为宏观背景的粒子群体的演变规律。

『柒』 云和降水微物理学的云滴的形成

成云致雨要经过一系列复杂的微物理过程：湿空气上升膨胀冷却，其中的水汽达到饱和，并在一些吸湿性强的云凝结核上，凝结而成初始云滴的凝结核化过程；云中的过冷水滴或水汽，在冰核上冻结或凝华以及在-40℃以下，自然冻结成初始冰晶胚胎的冰相生成过程；水汽在略高于饱和的条件下时，在云滴(冰晶)上进一步凝结(凝华)，使云滴(冰晶)长大的凝结增长过程(凝华增长过程)；云内尺度较大的云滴，在下落过程中与较小的云滴碰并而长大的重力碰并过程；冰晶和过冷水滴同时存在时，因为过冷水滴的饱和水汽压比冰面的大，造成过冷水滴逐渐蒸发，而冰晶则由于水汽的凝华而逐渐长大的冰晶过程。降水粒子的尺度大约是云滴的一百倍，但其浓度却仅为云滴的百万分之一。 云滴由于受表面张力作用，通常呈球形。球形纯水滴表面的饱和水汽压，高于平水面的饱和水汽压。以半径为0.01微米的水滴为例，其饱和水汽压超过平水面的12.5%。在没有任何杂质的纯净空气中，初始的云滴只能靠水汽分子随机碰撞而生成。靠分子随机碰撞而产生云滴的可能性随着尺度增大而变小。
微小的初始云滴，只有在相对湿度达百分之几百的环境中才不致蒸发。但实际大气的水汽含量很少能够超过饱和值的1%。因此，在没有杂质的纯净空气中是难以直接形成云滴的。事实上，大气中存在着各种凝结核，这为凝结成云滴提供了条件。 云凝结核可分成两类：亲水性物质的大粒子，它不溶于水，但能吸附水汽，在其表面形成一层水膜，相当于一个较大的纯水滴；含有可溶性盐的气溶胶微粒。它能吸收水汽而成为盐溶液滴，属吸湿性核。例如海盐的饱和水溶液，只要环境相对湿度高于78%，就可以凝结长大。
随着凝结水量的增加，溶液滴的浓度越来越小，所要求的饱和水汽压也越高。但是，随着凝结水量的增加，溶液滴的尺度也随着增大，所要求的饱和水汽压又随尺度增大而降低。因此，不同浓度和不同尺度的溶液滴要求的饱和水汽压值各不相同，当环境水汽压大于相应的临界值时，溶液滴即可继续增长，随着尺度的增大，溶液滴渐趋纯水滴，这时溶液滴的饱和水汽压也转而下降，一个含千亿分之一克食盐的微粒，只要环境的相对湿度略大于100%，即可成为凝结核而生成云滴。
在没有杂质(冰核)的过冷水中，冰相的生成(水由气态或液态转化为固态)是由水分子自发聚集而向冰状结构转化的过程。聚集在一起的水分子簇，由于分子热运动起伏(脉动)的结果，不断形成和消失。分子簇出现的概率随温度的降低而增大。当分子簇的大小超过某临界值时，就能继续增大而形成初始冰晶胚胎。
直径为几微米的纯净水滴，只有在温度低于-40℃时才会自发冻结；但当过冷水中存在杂质(冰核)时，在杂质表面力场的作用下，分子簇更容易形成冰晶胚胎。自然云中冰晶的生成，主要依赖于杂质(冰核)的存在。在-20℃时，每升空气中约有一个冰核，仅为同体积中云凝结核浓度的几十万分之一。因此云中冰晶的浓度，一般远远小于水滴的浓度。
云中空气上升而膨胀冷却时，水汽不断凝结。在凝结过程中，云滴半径的增长速度和云中水汽的过饱和度成正比，与云滴本身的大小成反比。所以在确定的水汽条件下，云滴凝结增长越来越慢。在0.05%的过饱和条件下，一个由质量为十亿分之一克食盐生成的初始云滴，从半径为0.75微米开始，增长到1微米时需要0.15秒的时间，增长到10微米时需30分钟，而增长到30微米时，就需要四小时以上的时间。
虽然水汽在少数大吸湿核上凝结之后，可产生大的云滴，但如果要它继续增长到半径为100微米的毛毛雨，就需要更长的时间，而积云本身的生命大约只有一小时，故在上述情况下不可能形成雨滴；在层状云中，气流上升的速度，只有几厘米每秒，当大云滴在不断下落的过程中，还来不及长成雨滴，就会越出云底而蒸发掉。总之，在实际大气中，单靠水汽凝结是不能产生雨滴的。 云滴相互接近时，发生碰撞并合而形成更大云滴的现象，称为云滴碰并增长。在重力场中下降的云滴，半径大的速度较快，可赶上小云滴而发生碰撞并合，这称为重力碰并。但半径不同的云滴相互接近时，由于小滴会随着被大滴排开的空气流绕过大滴，所以在大滴下落的路途中，只有一部分小滴能和大滴相碰。相碰的云滴，也只有一部分能够合并，其他则反弹开来。
碰并的比例称为碰并系数，其数值由大小云滴的半径所决定，通常都小于1。半径小于20微米的大云滴对小云滴的碰并系数很小。大云滴穿过小云滴组成的云体时，其半径在碰并过程中的增长率与碰并系数、大小云滴之间的相对速度和小滴的含水量都成正比。大云滴的半径越大，碰并增长得就越快。
在实际大气中，云滴间的碰撞是一种随机过程。云中一部分大云滴碰并小云滴的机会比平均结果大，所以长得特别快；而其他云滴的碰并速度，则比平均结果慢。由于雨滴的浓度只有大云滴的千分之一左右，所以只需要考虑那些长得最快的少数大云滴长成雨滴的过程。用这样的概念建立起来的随机碰并增长理论，所得到的雨滴生成时间，比连续增长的时间大大缩短，这与实际情况更加接近。
此外，气流的湍流混合作用和云滴在电场作用下的相互吸引，也能使云滴相互接近而发生碰并。一般认为这两种机制，主要是对小云滴的增长起作用。由液态水构成的云体，若有足够的厚度、足够的上升气流速度和液态含水量，其中的大云滴就可以在碰并过程中长大为雨滴。这种过程称为暖云降水过程。

『捌』 云的正负离子是怎样产生的

雷雨云是对流云发展的成熟阶段，它往往是从积云发展起来的。发展完整的对流云，其生命史可以分为以下三个阶段： 形成阶段：这一阶段主要是从淡积云向浓积云发展。云的垂直尺度有较大的增长，云顶轮廓逐渐清楚，呈圆孤状或菜花形，云体耸立成塔状。这样的云我们在盛夏常常看到。在形成阶段中，云中全部为比较规则的上升气流，在云的中、上部为最大上升气流区。上升气流的垂直廓线呈抛物线型。在形成阶段，一般不会产生雷电。 成熟阶段：从浓积云发展成积雨云，就伴随雷电活动和降水，这是成熟阶段的征象。在成熟阶段，云除了有规则的上升气流外，同时也有系统性的下沉气流。上升气流通常在云的移动方向的前部。往往在云的右前侧观测到最强的上升气流。上升气流一般在云的中、上部达到最大值，可以超过25—30米／秒(见图1)。 消散阶段：一阵电闪雷鸣、狂风暴雨之后，雷雨云就进入了消散阶段。这时，云中已为有规则的下沉气流所控制。云体逐渐崩溃，云上部很快演变成中、高云系，云底有时还有一些碎积云或碎层云。 图1 一块雷雨云的气流结构示意图 （二）雷雨云的微物理结构： 一块成熟的雷雨云，其顶部可以伸展到－40℃的高度(约l万米以上)，而云底部的温度却在10℃以上。由于云体在垂直方向上跨过了这么宽的温度范围，因而云中水汽凝结物的相态就很不一样。在云中有水滴，过冷却水滴、雪晶、冰晶等(见图2)。我们把雷雨云按温度高低来分层，便可以看：在温度高于0℃的“暖层”的云中，全部是水滴(包括云滴)，在温度0至－8℃的云层中，即有较多的过冷却水滴(温度低于0℃的水滴)，也有一些雪晶、冰晶；在温度低于－20℃的云层中，由于过冷却水滴自然冻结的概率大为增加，云中冰晶的天然成冰核作用更为显著，故云中基本上都是雪晶和冰晶了。在成熟阶段的雷雨云中，发生着非常复杂的微物理过程，在云的“暖层”，有水滴之间由于大小不同而发生的重力碰撞，也有湍流碰撞和电、声碰撞过程。同时，有大水滴在气流作用下发生变形，破碎而产生“连锁反应”；还有由云的“冷层”中掉到“暖层”中来的大雪花、霰等的融化等。在温度0℃至－20℃的云层中，水汽由液态往固态转移十分活跃，冰、雪晶的粘连，大冰晶破碎等也很频繁。在低于－20℃的云层中，也还有冰晶之间的粘连和大冰晶的破碎过程发生。在雷雨云中发生的所有这些微物理过程，都可以导致云中水汽凝结物电学状态的改变，对于雷雨云的起电有十分重要的贡献。 图2 一块雷雨云的微物理结构示意图 （三）雷雨云起电机理 雷雨云起电的机理目前主要有四种理论： 水滴破裂效应：云中水滴在高速气流中作激烈运动，分裂成一些带负电的较大颗粒和带正电的较小颗粒，后者同时被上升气流携带到高空，前者落在低空，这样正负两种电荷便在云层中被分离，这也就是造成90％的云层下部带负电的原因。 吸电荷效应：由于宇宙射线或其它电离作用，大气中存在正负离子，又因为空间存在电场，在电场力的作用下正负离子在云的上下层分别积累，从而使雷雨云带电，又称感应起电。 水滴冻冰效应：水滴在结冰过程中会产生电荷，冰晶带正电荷，水带负电荷，当上升气流把冰晶上的水分带走时，就会导致电荷的分离，而使雷雨云带电。 温差起电效应：实验证明在冰块中存在着正离子（H+）和负离子（OH-），在温度发生变化时，离子发生扩散运动并相互分离。积雨云中的冰晶和雹粒在对流的碰撞和摩擦运动中会造成温度差异，并因温差起电，带电的离子又因重力和气候作用而分离扩散，最后达到一定的动态平衡。 综上所述，雷雨云起电可能是某一机理也可能是多种机理的效应而产生的

『玖』 云和降水微物理学的介绍

云和降水微物理学是研究云粒子(云滴、冰晶)和降水粒子(雨滴、雪花、霰粒、雹块等)的形成、转化和聚合增长的物理规律的学科。它是云和降水物理学的重要组成部分，又是人工影响天气的理论基础。