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《青年科学》

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《青年科学》杂志创办于1980年,是沈阳日报报业集团主管并主办的综合性期刊。辽宁省一级期刊,曾连续两...

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白云飘浮与飞沙走石

2008-11-02 18:18:40

  云有多重?一片云的重量就是云中所含水滴的重量。水滴的含量因云的类型而异。积云的含水量为每立方米0.2~1克;层云的含水量为每立方米0.1~0.5克;雨层云的含水量每立方米可达15克。一片1平方公里的积云,不是特别大,如果按每立方米平均含水量为0.2克计算,其重量约为200吨。

  云为何会飘移?显然那是因为有风。那云又为何会悬浮呢?是因为空气的浮力吗?地表附近空气的密度是每立方米1千多克,随着高度的增加,空气密度要降低。不过云所在的位置属于大气的最底层,那里的空气密度不会减少太多,可以认为是每立方米1千克左右。对比上段中给出的云的含水量(取粗略的均值每立方米1克),乍一看似乎空气的密度要大1000倍,于是云所受的浮力就要比云自身的重量大1000倍!云好像应该快速上升才对,而事实显然并非如此。

  错在哪里呢?原来组成云的小水滴之间有很大的空隙,平均间距是小水滴直径的上百倍。这些空隙当然不是真空,也就是说空气并没有被排出这些空间,于是这些空间所对应的空气浮力根本就不存在。上述错误正是把这些不存在的浮力也计算进去了。

  考察的关键在于其组成的小水滴是如何悬浮于半空中的。其实小水滴在静止的空气中也是会不断坠落的,但由于其直径很小,仅约为0.01毫米,所以它向地面下落的收尾速度也很小,只有每秒0.5厘米。这样即便空气极其稳定宁静,处于1公里高处的白云也要花上两天多的时间才能落到地面上。而实际上由于地面往往总比空中温度高,这样就总会有一些上升的气流,而这些气流很容易就能达到小水滴的收尾速度,于是云就被稳定地托举在空中了。由此看来,云的悬浮跟云的飘移同样都是因为有风,只是悬浮所需的向上吹的风极小,我们都感觉不到罢了。

  当云中水汽增多,水滴越变越大时,相应的收尾速度也就增大,水滴要继续悬浮空中就需要更加强劲的上升气流。但在水汽充足的情况下,水滴比较容易增大,而上吹的风速则相对难以得到对等的增大。当水滴足够大,向上的气流所造成的空气阻力再也托不住它时,一场雨便要降临大地了。

  那么“飞沙走石”又是怎么回事儿呢?读者若已明白了云飘云浮的道理,那应该可以举一反三了:沙尘就像小水滴收尾速度小,狂风中向上的气流足以长时间地把它们挥舞到半空中一样;而石块类似于雨滴,其重量大于上升气流造成的推力,于是就只能贴着地面随着水平方向的强风向前滚动。