迷你世界Laplace 图版 30 — 云和雨

图版 30 · 天空

云为什么不会掉下来

一朵蓬松的积云,里面的水加起来有几百吨重,可它就那样飘在天上。不是因为水比空气轻,而是因为云里的水滴实在太小了,小到几乎掉不下来。

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01

几百吨重的一团棉絮

一朵长宽高各一公里的积云,每立方米空气里大约有半克液态水。加起来,大约是 500 吨,相当于一百头大象。

这些水分成了数不清的小水滴,每一颗直径只有百分之一二毫米,比头发丝的直径小得多。

积云示意 · 水滴被放大了几千倍

02

慢得出奇的坠落

水滴越小,空气对它的阻力相对越大。一颗直径 0.02 毫米的云滴,在静止的空气里每秒只下落约 1 厘米。

而托起一朵积云的上升气流,每秒能有几十厘米甚至几米。云滴根本落不下去,还会被往上带。就算空气一动不动,云滴落一公里也要将近一整天;落出云底的,很快就蒸发了。云就这样一直悬在空中。

03

一百万颗变一颗

要下雨,云滴得变大。它们在云里上上下下,互相碰撞、合并,越滚越大。一颗直径 2 毫米的雨滴,大约要一百万颗云滴才能凑成。

雨滴大到上升气流托不住,就落下来了:直径 2 毫米的雨滴每秒下落约 6.5 米。

雨滴的下落速度:Gunn 与 Kinzer(1949)

04

雨滴不是水滴形

画里的雨滴常常上尖下圆,可真正的雨滴不是这样。小雨滴是圆的;大雨滴下落时被迎面的空气压扁,底部变平,像一个小汉堡面包。

再大一些,雨滴就会被吹成一个兜状,然后碎成几颗小的。雨滴越大越扁、太大就碎,所以无论多大的雨,雨滴下落的速度都不超过每秒 9 米多一点。

05

你来试试

调节水滴的大小,看它下落得多快、形状怎样变化;再调节上升气流,看云滴是被托住,还是落成了雨。

试一试把上升气流调到 5 米/秒,水滴要多大才落得下来?

模型省略了什么

云滴的下落速度用斯托克斯定律计算,雨滴用 Gunn 和 Kinzer 在静止空气中测得的数据。真实的云里,气流时快时慢、方向多变,很多雨滴在半路就蒸发了。在寒冷的云里,雨常常一开始是冰晶:冰晶在云里长大、落下,路上融化成雨,这里没有画出来。

一个常见的误解

云并不是水蒸气。水蒸气是看不见的气体;我们看到的白色的云,是无数小水滴或小冰晶。云里的水也不比空气轻:每颗水滴都比空气重约 800 倍,也确实在往下落,只是落得太慢,上升气流轻轻一托就托住了。

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