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云朵边界清晰还是模糊,关键看它是水还是冰

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夏天抬头看到的积云,边缘像用刀切过一样利落;阴天铺满天空的层云,上下表面也基本分明。但如果你留意过高空那些薄薄的卷云,会发现它们的边界总是毛茸茸的,像被风吹散的棉絮。同样是云,为什么有的边界清晰,有的却模糊?

知乎高赞回答把原因归结为水汽扩散,说水汽浓度变化是平缓的,所以云边界不该清晰。这个解释几乎完全是错误的。它只对了一半的部分是:“由于自由扩散作用的存在,在一定空间内水汽浓度的变化是相对平缓的。”错误的部分,是之后所有的步骤。真正的原因要从云微物理学里找——关键不在水汽,而在云里的水滴和冰晶。


云是怎么出现的

空气里到处是飞来飞去的分子,氮气、氧气、水分子不停碰撞、弹开。温度越高,分子飞得越快,撞得越狠。水分子之间吸引力略大一些,但平时空气里的水分子还是不会凝聚,因为撞得太猛,碰到也会弹开。

地球大气的含水量和温度刚好在一个微妙区间。如果水分子再多一些,或者温度再低一些,水分子就能吸到一块而不被撞散。虽然周围空气分子还在不断撞飞这团水分子里的一些成员,但从外面撞进来的水分子比被撞飞出去的更多。越来越多水分子撞进来,这些小水分子团就变成空气中的小水滴,开始散射光线,我们看到的白色云雾就形成了。

这时候再往空气里加水,水只会马上凝结成小水滴,气态部分的含水量不再增加,空气就“饱和”了。反过来,如果水滴周围温度升高,或者水分子变稀少,这些水滴会迅速被撞散,也就是蒸发。

水滴出现和消失都太快了

大多数时候,空气中的总含水量和气态水含量变化是均匀的,因为气体在自由扩散。但空气中水滴的含量却有清晰边界:空气过饱和,水滴立马出现;空气不饱和,水滴立马消失。

根据《大气科学》第二版(ISBN:9787030225955)第227页的图示,云里水滴的直径只有20微米量级,离开饱和范围时立马蒸发。所以云的边界就是“有水滴”和“没水滴”的分界线,清晰得像地图上的国境线。

冰晶蒸发慢,边界就糊了

卷云为什么边界模糊?因为卷云是冰做的。冰的内部,每个水分子由几条氢键固定在六边形网格里;而液态水里只有少量飘忽不定的氢键维持水分子大致聚成一团。

冰晶最外面的水分子比水滴最外面的更难被撞掉。到了不饱和区域,冰晶表面水分子离开的速度比水滴慢得多。较大的冰晶消失得尤其慢,甚至能在天空中拉出超过千米的飘逸白线——那是大量冰晶正从高空缓缓落下。世界气象组织云图(图像ID:5788)记录了这一现象:图中这些云的顶部是由过冷水组成的、边界清晰的水云,其中凝结出的冰晶正在缓慢落下,变成弯曲的细丝。这就是为什么卷云看起来总是毛边。

积云的花椰菜顶是另一回事

高赞回答举例用的那张图,恰好是连空气总含水量也不渐变的情况。积云由上升的湿热空气团里的水汽凝结而成,那标志性的花椰菜状顶部,正是上升湿热空气团的边界。

积雨云能被人眼看到的部分,是这个热气团升到足够高、膨胀降温到能让水汽凝结出来的那部分。积云底部一般是平的,因为这一团热气内部总含水量基本均匀,各个部分都会在升到同一个高度时凝结出水。

即使在超级单体雷暴的入流区这种垂直速度极高、湍流混合极强的区域,也能看到大量碎片一样的云丝突然出现,然后不断变大,并入积雨云主体。那些是雷暴吸入的空气中更饱和、抢先凝结的区域,而这些云丝照样边界清晰。

所以,云的边界是空气饱和区域和不饱和区域的分界面。水云边界清晰,因为水滴形成和蒸发都太快;冰晶蒸发慢,所以冰云边界模糊。这和米氏散射的半径四次方项没有关系。高赞回答从水汽扩散推到云边界模糊,第一步只对了一半,后面全错。

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