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11 呼云唤雨的积雨云、雾





“当当当,”飞机广播这时响了起来,然后继续通知道,“女士们、先生们,我们正准备降落到旧金山地区,请确保您的座椅靠背和小桌板都处于完全直立状态,请系好您的安全带,所有的手提行李都放置在您前面的座位下方或头顶的行李架上。感谢您的配合!”

飞机此刻正在不断下降,而我的耳朵开始“嗡嗡”作响。我有一种期待感——我的生活将会在飞机落地后重新开始。这次旅行为我的人生按下了暂停键,让我有了一种无所不能的体验。在这样的高空,云层不会给我浇上一头不期而遇的雨,也不会像我伦敦的家那样,蛮不讲理地将阳光挡住,破坏我的好心情。在这里,光线从窗外射进来,太阳用光芒温暖着我的脸颊,它从未落下。直到飞机突然降到云层之中,然后不仅是太阳消失了,突然降临的白色薄雾笼罩了一切,将我所有的全能感和安全感击碎。可见度为零!

我们降落时钻入的云层和普通的云一样,都由几乎是纯水的小液滴构成。这里的“几乎”很有意思,它解释了雨水不纯净的原因,以及为什么窗户会被雨水弄脏,为什么有些地方会形成雾而另一些地方不会。云中的水既不纯净也不纯真,它可以杀人。每个黑夜和白天,在地球的某个角落,闪电风暴都会以相当恒定的频率,在全世界范围内平均每秒钟释放50次闪电。据估计,每年有1  000多人死于闪电,而受伤人数更是高达数万。美国国家气象局一直在对死亡人数和遇难者详情进行统计。下表显示了2016年的部分记录。你会发现,在树下躲雨可不是什么好主意,而且闪电几乎可以袭击任何地方。但是,闪电会击到飞机上的你吗?这是个很值得回答的问题。

美国因雷击而死的人员信息表,由美国国家气象局统计



水是怎么变成云的?


云来自晾衣绳上挂着的湿衣服、人行道边的水坑、你上唇的汗水,还来自浩瀚的海洋。每一秒钟,都会有一些水分子离开湿衣服、水坑、你的上唇、海洋以及其他水体,然后进入空气。水的沸点是100℃,这指的是纯水在海平面高度变成气体时的温度。那么,液态水怎么在尚未达到沸点的温度下变成气体呢?如果水可以在更低的温度下像作弊一样,让湿衣服和你的嘴唇变干,让小水坑蒸发,让水自动逃出海洋,那么确定沸点又有什么意义呢?

这一点值得注意的是,固体、液体或气体的定义并不像它们看起来那么清晰。科学家们努力地将万事万物分类,并对不同的事物做出清晰界定,却总是被宇宙的复杂性破坏。为了理解水是如何在自然系统中“作弊”并形成云的,我们需要注意一个很重要的概念——熵。

晾衣绳上挂着衣服,吸附在上面的水的温度低于100℃,却与空气接触。空气中的分子会轰击你的湿衣服,并趁乱钻入其中。在这一片“狼藉”中,一颗水分子偶尔会被撞出来,成为空气的一部分。实现这一点需要一定的能量,因为必须把水分子附着于湿衣服的化学键打破。将能量从你的衣服上带走,会让湿衣服的温度降低,但这也意味着,如果空气中到处漂浮的水分子与你的衣服发生碰撞,它可以通过与衣服附着而获取能量,那样就会使衣服重新变湿。因此你可能会认为,更多的水会重新吸附到你的衣服上,而不是被气流带走。不过,这个时候熵就开始发挥作用了。因为在你湿衣服周围翻腾的空气很多,而水分子的数量很少,所以水分子重新回到湿衣服上的概率很低。相反,它更有可能会“嗖嗖”地飞入空气中。分子世界中这种混乱并扩散的倾向,便是由自然系统中的熵来决定的。熵不断增加,是一个宇宙中的自然规律,它与将水重新沾到湿衣服上的凝结力恰恰相反。温度越低,衣服在风中暴露的面积越小,凝结力占了上风,而你的衣服也将保持湿润。相比之下,在暖和的日子里,将你的衣服挂起来,平衡点就会向熵的一端移动,而你的衣服很快就会干了。

熵还能处理街道上的水坑,在你淋浴后帮你烘干浴室地板上的水,在炎热的天气里将你身上的汗带走。总而言之,毕竟我们是那么喜欢干衣服,喜欢干燥的浴室地面和干爽的身体,熵看起来非常便利,通常也很有用。但是,这种仁慈的力量每年同样驱使着数以千计的云团“杀手”向我们投下闪电,提醒着我们,谁才是真正的空中霸主。

雷雨云的形成过程始于蒸发掉的水,这些水以气态的形式四处移动。热空气上升是因为它们比冷空气的密度小,所以在阳光明媚的日子里,水分子会从你的湿衣服上逃到空气中。尽管充满了水分子,空气依然是透明的,因此最初不会出现任何云的迹象。但是随着蒸汽上升,空气膨胀并降温,热力学的天平便会向水分子凝结的那一端倾斜,因而水再次成为液体的一部分。但是一个单独的分子不能直接在空气中变回液体,要想形成一粒小小的液滴,这还需要有一些合作,因此几个水分子必须聚集在一起,才能形成一滴水。在混乱而激荡的大气中,这并不是很容易发生,但在空气中已经存在的微小颗粒的推动下,这一过程被加速了。这些小颗粒通常是从植物上吹落的少量灰尘,或是从工厂烟囱里冒出的烟。水分子会与它们结合,并且随着越来越多的分子参与其中,这个小颗粒变成了微小水滴的中心。所以,你在收集雨水时,里面通常都会含有沉淀物,而你的汽车挡风玻璃或房间窗户上的雨水被吹干后,也会留下一些细细的粉末。