什么样的云彩会下雨?

POST TIME: 2014-07-01 23:16:22

彩云 云彩 水面倒影摄影图_摄影图库_自然风景

呼风唤雨,这是人类历来的梦想,但要把这个梦想变为现实,还必须依靠科学。大气科学是研究大气中发生的各种自然现象和循环的学科,它也是实现人类呼风唤雨梦想的科学基础。

大气水循环是地面和大气中水物质的循环过程,它是地面清洁水的主要来源,也是驱动大气中各种运动所需能量的主要来源之一。大气水循环整体说来并不复杂,它包括蒸发过程、成云过程和成雨过程。

更详细地说,地表水是液态或固态的,它们通过蒸发过程变为气态的水汽,这就是蒸发过程,是水的第一次相变。水汽在大气中随气流运动,但在再一次相变之前它是不可能回到地面的。水汽要回到地面,必须再经过一次相变,如凝结或凝华,从气态又变成液态或固态的云滴,这就是成云过程。水汽经过第二次相变就具备回到地面的条件,但它不一定就能回到地面,因为云滴太小太轻,它飘浮在大气中掉不下来,在某些条件下它还会再一次蒸发又回到气态。为了要使云滴回到地面,它必须长大到一定大小,这一使许多小云滴合并成大的雨滴的过程就是成雨过程。自然云中云滴可以通过凝结过程或碰并过程使云滴长大,当它长大到一定尺度就可以成为降水,战胜引力掉到地面,例如直径大于200微米云滴就有可能掉到地面成为毛毛雨,直径大于500微米就会形成雨滴或各种固态降水物。


【形成降雨的条件】

从上面关于水循环过程的讨论中我们必需注意两个关键问题:一是相变; 二是其中的能量需求。

前面已经提到大气水循环中包含了2次相变过程,这是由于地表水和大气中水汽的相态是不同的,水循环过程是通过第一次相变把地表水变成气态的,再经过第二次相变过程又变成液态或固态,这才能回到地面。这一点是很重要的,因为大气中的水汽,如果它没有机会经过第二次相变过程变成液态或固态的水,它们是回不到地面的,也就是说,虽然水汽很多,但它们没有机会发生相变,那么它们就不可能形成降水。

因此只有那些有机会发生相变的水汽才会对降水有供献。从这个意义上来说,对某一地区某一时段而言,单纯水汽多少并不能决定会有多少降水,决定降水多少的是那些已经发生了第二次相变的水量,这才是降水的资源。

这些经过第二次相变后的凝结(凝华)水就构成了这一地区这一时段的最大可能降水量,这一个量很重要,它才是人工增雨潜力的基础。当然这个最大可能降水量并不能全都变成降水,因为不是所有的云粒子都会顺利长大,其中很多一部分会一直停留在空中,甚至又一次被蒸发掉。这就决定了成雨过程的效率,它反映某一地区某一时段中实际降水量与最大可能降水量之比。

第二个问题是能量,这也是我们在企图影响自然过程中必须考虑的。从上面的分析中可以看到,大气水循环的几个过程都涉及到很大的能量需求。我们必须考虑是否有能力提供这样的能量,来改变自然进程的发展?大自然的能量是十分巨大的,对此我们需要进行一些定量的估测。把每年全球人类使用的能源数作为一把尺子,把它作为1个单位(其具体数值约在1020焦尔的量级),来估测大气过程所涉及的能量。

地球大气所有的运动都是靠太阳提供的能量驱动,据大气科学估计,每年太阳提供给地球的能量约为40 000个单位,其中用于地面蒸发的能量约为10 000个单位,而在成云过程中用于抬升气块运动的能量约为100个单位。因为人类只撑握1个单位的能量,面对蒸发过程和成云过程所涉及巨大的能量,人类显然是无能为力的。

但很幸运,大气科学也发现成雨过程实际上是不涉及到能量需求的,它的效率高低主要和云中的微物理结构有关,因此我们可以适当地改变云中的微物理结构,调整它的成雨过程的效率,从而达到增雨或减雨的目的。这就是我们搞人工增雨的基础。

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