地球/4g. 雲是什麼？
在夏日，雲彩可能飄過我們的頭頂，只有當你花時間觀察它們時才會注意到它們的移動。雲彩形形色色，但它們獨特的物理屬性可以被分類，觀天者根據地球上雲彩的特徵給它們起了名字。這些名字由拉丁片語成，Nimbo- 表示雨，Alto- 表示高，Cumulus- 表示堆或丘，Strato- 表示平坦，Cirrus- 表示捲曲或縷。
_(Yellowstone,_Wyoming,_USA)_(28191827302).jpg)
這些雲彩就是你在夏末下午看到的經典的白色蓬鬆的棉花糖般的雲彩。雲彩的頂部通常是圓形的，因為雲彩向上生長，底部平坦，可能在地面以上數百米處。在下午晚些時候，積雲會長得更大，形成積雨雲，或稱高聳積雲。如果積雲中形成了足夠多的水分，並且它長得更大、更灰，它會變成積雨雲。
這些雲彩是與雷暴相關的巨大的高聳雲彩。這些雲彩向上攀升到大氣中超過 12 公里，可以釋放大量的雨、雪、冰雹，並與閃電、雷聲甚至龍捲風相關聯。它們頂部有時會形成砧狀雲。底部會形成灰白色或藍灰色，因為水蒸氣過飽和。積雨雲下方通常會下雨或下雪。夏天的晚上雷雨通常是積雨雲造成的。
這些雲彩類似於扁平的積雲，通常成低群或雲線出現在天空。這些雲彩沒有太高的高度，通常是由於上面的空氣穩定，阻礙了向上生長。這種型別的雲彩很少會下雨或下雪，它們往往預示著天氣轉暖。層積雲在天空形成線狀或透鏡狀圖案。
這些雲彩類似於分散在天空中的單個球狀斑塊，出現在更高的地方。這些高雲塊狀雲彩通常不會下雨，但有時會發展成積雨雲。高積雲通常點綴在天空，厚度不一，有些是薄薄的捲雲，有些則更厚、更像球形。
這些雲彩是高空雲彩，出現在對流層頂部附近，距離地球表面 10 到 14 公里。這些雲彩通常含有比液態水更多的冰晶，在寒冷的日子裡會產生雪花。它們可以由大型雲彩（如雷雨過後的積雨雲）的破碎形成。
這些雲彩形成於對流層高處，大約在 14 到 16 公里處，形成高空細長的雲彩。捲雲由冰晶組成，這些冰晶源於過冷水滴的凍結。它們看起來通常是透明的，就像高空中飄蕩的婚紗一樣。
這些雲彩非常低、扁平、沒有特徵，在冷鋒開始時滾過天空。層雲通常是灰色的，顏色深沉，但有時也會是白色的。這些雲彩像霧一樣低到地面，會環繞在山脈和丘陵，代表著一連串的寒冷天氣，伴隨降雨和降雪。大多數霧被歸類為層雲，它們可以在清晨或降雨後形成。
這些雲彩類似於層雲，但更厚、更暗，與冷鋒有關。雨層雲出現在冷鋒過後大量的降雨和降雪期間，通常出現在寒冷、陰雨或下雪的日子。這些雲彩在寒冷的雨天經常覆蓋整個天空，但它們向上延伸只有 2 到 4 公里。如果在一個陰天，天空完全被雲彩覆蓋，這通常是雨層雲造成的。
這些雲彩類似於高積雲，但更厚，並在 6 到 10 公里的高度上覆蓋天空。它們不像捲雲那樣纖細或透明，可以覆蓋大部分天空。由於它們在更高的地方，所以它們往往與降雨或降雪無關，而是像無特徵的雲彩一樣懸掛在景觀之上。
-
透鏡雲 -
雨幡雲 -
魚鱗天 -
珠母雲 -
夜光雲 -
乳狀雲 -
弧狀雲 -
德克薩斯州的沙塵暴 -
伊拉克的沙塵暴
.jpg)
許多奇特的雲層形態都有自己的名字和描述。最具代表性的可能是透鏡雲，它看起來像巨大的圓形UFO。它們是一種高積雲，被風雕刻成橢圓形，高高地懸掛在空中。雨幡雲是一種細長的捲雲，從雨雲中垂下。雨幡雲是由從雲層下方降下的降水形成的，通常降水在到達地面之前就蒸發了，儘管它可能會在雨幡雲的下方產生輕微的雨或雪。魚鱗雲是水手用來形容天空佈滿一排排小卷積雲或高積雲，呈現出斑點狀圖案，看起來有點像鯖魚的鱗片，這是由高空大氣風造成的。魚鱗雲通常被水手用來預報降雨，因為它們出現在氣壓下降時，表明低壓系統正在形成。珠母雲只出現在北極地區，是高空彩虹色的雲層，形成於對流層頂附近，當時大氣溫度極低。它們最常出現在寒冷乾燥的極地地區，由高空大氣中的冰晶構成。它們常被稱為極地平流層雲，是雲彩愛好者追逐的目標。夜光雲是一種科學上有趣的罕見雲層，出現在地球上空高空的中層大氣中。它們通常在大型火山噴發後被觀察到，據認為是由火山灰和水蒸氣注入高層中層大氣中形成的，這些灰塵和水蒸氣形成細長的薄雲，在日落或日出時最容易看到。它們也曾在火箭發射後被觀察到，因為火箭在升空過程中燃燒燃料時會將顆粒和水蒸氣帶到高層大氣中。乳狀雲是一種枕頭狀的雲，可以在積雨雲下方形成，這個詞來源於拉丁語中“乳房”或“奶子”的意思。開爾文-亥姆霍茲雲是由大氣兩層之間的速度差異引起的，導致形成像翻滾的海洋波浪一樣的波浪狀雲。它們以英國物理學家開爾文勳爵和德國物理學家赫爾曼·馮·亥姆霍茲的名字命名，他們在 1860 年代和 1870 年代都描述了這些波浪形成的物理學原理。弧狀雲是一種罕見的暴風雨雲，在天空滾動。它們與冷鋒和雷暴有關，導致雲看起來在景觀上滾動。它們還有其他名稱，包括卷軸雲、棚雲或捲雲。弧狀雲與滾動巨型沙塵雲有關，被稱為沙塵暴，這個詞來源於阿拉伯語中“爆炸”或“漂移”的意思。沙塵暴形成於強風吹過乾旱景觀的地方，將塵土和顆粒吹到空中。它們出現在雷雨和前進的低氣壓鋒面之前，帶來強風。沙塵暴會引起呼吸問題，因為這些空氣中的塵埃顆粒會被困在這些風暴中的人吸入。幻日或日暈是一種奇怪而罕見的現象，導致太陽看起來有兩點亮光，在太陽兩側。這些幻日是由捲雲或卷層雲中的冰晶反射出圍繞太陽的大光環，在太陽兩側大約 22 度處形成的。當天空中有稀薄的捲雲時，這些幻日特別明亮，因為這些捲雲會反射穿過它們的光線。
雲的形成，大氣中的水分
[edit | edit source]雲層與大氣中的水相變化密切相關：液態水、水蒸氣和冰雪。地球表面附近對流層中的溫度和氣壓變化會導致透過蒸發（液態 → 氣態）、凝結（氣態 → 液態）和降水（氣態 → 液態或固態）過程形成這些相中的任何一種。液態水透過蒸發轉化為氣態，當激發的分子從加熱的水源中逸出並以水蒸氣的形式進入空氣中時，就會發生蒸發。當蒸發的水分子數量與凝結的水分子數量相等時，空氣就被認為在與水蒸氣有關的情況下達到飽和。飽和空氣是指在給定溫度和壓力下，其水蒸氣濃度達到最大值時的空氣。當空氣中的水蒸氣過飽和時，水就會凝結成液體，並且在天空形成可見的雲。
想象一下，一架飛機上的噴氣發動機在固定高度飛行，沒有氣壓變化。透過噴氣發動機的空氣會被髮動機加熱，導致透過發動機排氣管的空氣中水蒸氣處於未飽和狀態，因為加熱後的空氣現在能夠容納更多的水分子。周圍的水分子會湧入這股未飽和的空氣，但當空氣在噴氣發動機及其熱量通過幾秒後開始冷卻時，空氣相對於水蒸氣就會過飽和，水蒸氣就會凝結成天空中的雲線。這些凝結尾跡在天空劃出一條路徑，形成從地球表面可見的人造雲。如果空氣相對於水蒸氣已經過飽和，並且噴氣發動機穿過凝結水雲，經過的噴氣發動機可以加熱空氣，增加水蒸氣的飽和度，並導致雲消失。這些事件可以形成自然形成的雲層中的降水孔或降水跡。
只要空氣溫度或壓力從飽和狀態變為過飽和狀態，就會形成雲層，水蒸氣過飽和會導致液態水凝結，並在天空形成雲。
道爾頓定律
[edit | edit source]1844 年 7 月 26 日的早晨，當年邁的約翰·道爾頓記錄他當天的氣象觀測時，他顫抖著寫下了公寓內的溫度 60 度，公寓外的溫度 71 度，氣壓計讀數 30.18，西南風 1 級，以及觀測結果 小雨。60、71、30.18 西南風 1 級，小雨。這是約翰·道爾頓從 1787 年開始記錄的 200,000 多次天氣記錄中的最後一次，當時他只有 21 歲，儘管在 1794 年更加認真。現在，他已成為老人，他的一生都被他每天觀察的天氣記錄著，總共 57 年的天氣觀測。第二天，他因中風去世，英格蘭曼徹斯特的數千人參加了他的葬禮。他之所以出名，不是因為他認真記錄天氣，也不是因為他簡陋的公寓和終身單身漢的堅韌生活，而是因為他對氣體與壓力之間關係的深刻理解，以及原子或氣體分子包含不同大小質量的發現。
如今，大氣科學家們知道他制定了道爾頓定律，該定律指出混合氣體所施加的總壓等於混合物中每種氣體分壓之和。例如，在海平面的空氣中，在 101.3 kPa 的壓力下，氮氣將施加 78.1 kPa 的壓力，氧氣將施加 20.9 kPa 的壓力，氬氣將施加 0.97 kPa 的壓力，水大約在 1.28 kPa 左右，二氧化碳將施加 0.05 kPa 的壓力，這與每種氣體在海平面正常空氣中發現的氣體混合物中的百分比直接相關。
這意味著如果向氣體中新增水蒸氣，則氣體的總壓將增加。水蒸氣的飽和壓是在任何給定溫度下，氣體混合物所能容納的最大水蒸氣量。如果新增的水蒸氣超過水蒸氣的飽和壓，則氣體將開始凝結，以液態水的形式出現，分子從氣相遷移到液相。蒸氣壓不能超過此最大容量，因此任何高於飽和壓的氣體都會導致水的凝結。然而，空氣可能處於未飽和狀態。相對溼度是指空氣中的水蒸氣壓與水蒸氣飽和壓或空氣容納水蒸氣的最大容量之比。
如果相對溼度為 100%，則將發生水蒸氣凝結。但是，如果相對溼度僅為 15%，則空氣相對於水蒸氣處於未飽和狀態。水蒸氣的飽和壓取決於溫度，溫度越高，空氣所能容納的水蒸氣就越多，例如，記錄的 40 攝氏度大氣氣體，相對溼度為 95%，將包含比 0 攝氏度大氣氣體，相對溼度為 95% 的氣體中更多總量的水蒸氣。這種關係導致潮溼、悶熱、炎熱的天氣，在液態水充足的地方，而寒冷的地區將更加乾燥。炎熱的地方，如缺乏液態水來源的乾旱沙漠，例如大陸內部的沙漠，通常相對於水蒸氣處於高度未飽和狀態，溼度非常低，例如常見的 5% 到 25%。請注意，當相對溼度達到 100% 時，就會發生凝結，雲、降水或霧就會形成。請注意，當溫度下降時，水蒸氣的飽和壓會發生變化，導致相對溼度上升，而不會改變空氣中的水蒸氣量。如果這種冷卻的空氣達到 100% 的相對溼度，就會發生凝結，雲層就會形成，這被稱為露點。
絕熱遞減率
[edit | edit source]理解絕熱遞減率的最佳方式是將其想象成一條軌道，迫使空氣或任何物質在不同的壓力和溫度下，隨著海拔高度變化，遵循一條非常特定的路徑。絕熱遞減率是溫度和壓力之間關係的結果。您可能已經觀察到，當壓縮空氣罐內的氣體釋放時，罐體會變冷，甚至在其表面形成冰晶。另一方面，當增加輪胎內部的壓力時，輪胎會因氣壓升高而變熱。當空氣膨脹時它會冷卻，當空氣被壓縮時它會變熱。想象一下熱空氣上升，當它上升時，空氣會膨脹，導致空氣在上升過程中冷卻。想象一下冷空氣下沉，由於受到更多壓力的壓縮，空氣會變暖。這個過程被稱為絕熱過程，這意味著空氣在不同海拔高度之間移動時，將在溫度和海拔高度之間遵循一條狹窄的路徑。這種絕熱遞減率每上升 1 公里，氣溫會下降 10 攝氏度（10°C/km）。在地表溫度為 30 攝氏度的地區，上方 3 公里的空氣溫度為 0 攝氏度。如果該氣團靠近地球，下降到距地球表面 2 公里的高度，該氣團的溫度將升高 20 攝氏度。重要的是要注意，絕熱遞減率是空氣在不同壓力下運動和膨脹/收縮的物理條件，而不是由地球的溫度剖面引起的。如果大氣各層之間沒有溫度差異，任何上升和膨脹的空氣都會冷卻，而任何下沉和收縮的空氣都會變暖。
這種絕熱遞減率被稱為幹絕熱遞減率，因為我們假設空氣是乾燥的，低於水蒸氣的飽和壓力。然而，如果空氣在上升過程中冷卻，空氣將達到一個點，它將無法容納更多水蒸氣，最終，隨著海拔高度和冷卻的增加，水蒸氣的飽和壓力將被達到，併發生凝結，此時將形成雲。雲層在高海拔形成是因為上升氣團中的水蒸氣濃度，使空氣質量冷卻到低於水蒸氣的飽和壓力。如果這些氣團向上移動，它們通常會穿過這個點，在天空形成雲層。如果空氣迅速向上移動，並攜帶大量水蒸氣，則這種水蒸氣隨高度凝結，可能導致大量的降雨或降雪。溼絕熱遞減率略低，平均每上升 1 公里氣溫下降 6 攝氏度（6°C/km）。絕熱遞減率是雲層很少在地球表面附近形成，但在天空中較高的地方經常形成的原因。瞭解空氣的上升和下降，以及使用氣壓計從地球表面觀察到的壓力變化，對於深入瞭解地球上風的本質和理解天氣預報至關重要。
隨著過去一個世紀二氧化碳和其他溫室氣體增加，對流層全球氣溫上升，科學家推測，隨著時間的推移，世界將變得更加多雲。任何全球雲層覆蓋的增加都會增加地球的反照率，導致更多陽光反射回太空。這將起到負反饋的作用，並使地球降溫。發射到太空的衛星，如搭載在 NASA 的 Terra 和 Aqua 衛星上的儀器，以及像 NOAA 的高解析度紅外輻射計探測器 (HIRS) 這樣的老衛星，一直在測量地球的雲層覆蓋。自 1978 年以來的結果表明，地球的雲層覆蓋沒有向上或向下趨勢，但 似乎在狹窄範圍內逐年變化。觀察到的輕微變化似乎反映了大氣環流的增強，但自 1970 年代後期開始觀測以來，雲層覆蓋沒有淨增加。
| 上一頁 | 當前 | 下一頁 |
|---|---|---|