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在我们生活的大气中,除了氧气、二氧化碳以外,还悬浮着各种细微的固体或液体粒子,它们的学名叫气溶胶。这些气溶胶微粒成分多样形态多变,大小从纳米级到微米级不等,虽然肉眼无法看见,但其中一些却对成云致雨起着至关重要的作用——

如果没有它们,绝大多数云将消失,水汽遍布四周,到处都是桑拿房里的景象。这些微粒对水分子格外具“诱惑力”,在水汽接近饱和的空气中,水分子只要遇上它们,便更乐于附着到它们身上,并迅速聚集起来,凝结成小水滴,继而成云或致雨。

它们就是云凝结核(Cloud condensation nuclei),又叫云的种子(Cloud seeds)。

 

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(图片说明:显微镜下的凝结核成分)

成云致雨

云凝结核由大部分可溶性气溶胶(海盐等微粒)和一部分表面可润湿气溶胶(矿物之类的微粒)构成。城市上空的云凝结核主要是来自陆地的无机盐微粒,还有人类活动释放的硫化物、氮氧化物。海洋性云凝结核是诸如海盐之类的微粒。轻小如它们,能随着气流飘到离源地几百到上千公里以外的地方。在遥远的海洋上空,科学家采集到少量来自陆地的各种矿物微粒、森林火灾的烟灰微粒、工厂排放的硫化物微粒。尽管如此,海洋上空云凝结核浓度仍不及陆地上空的十分之一。

水汽聚到凝结核上的凝结增长,只是成云致雨的第一步。这时的云滴直径只有几微米,最终形成雨滴直径要增长上千倍(毫米级)。跟雨滴相比,云滴比站在目前世界最高建筑物迪拜塔(Burj Khalifa, 828米)面前的我们还要渺小。从云凝结核到最终落出云层的雨滴或雪片,云里发生了很多复杂过程。

别看它很微小,云凝结核对于云后来的命运依然重要。1875年法国物理和化学学家Paul Coulier第一次演示了云凝结核在水汽凝结中的作用。130多年过去了,云凝结核对云和降水的影响仍是个未解的难题。越来越深入的观测和模拟研究发现,云凝结核不只对不同云的影响各异,对同样的云生命不同时期的影响也不一样,

一般而言,越往高处,大气层温度越低。距离地面大约4、5千米以上,气温开始低于零摄氏度。高云的温度低于零摄氏度,但如果缺少凝结核,水汽需要相当低温度(-40oC到-30oC)才能变成固态。到达足够低温之前,水分子就以液态过冷水形式留在云中。

这时,若有云凝结核加入,云中会形成大量冰晶。过冷水中的水分子会迅速向冰晶上聚集增长,最终形成霰或雪片,落到地面。这也是人工增雨作业最常使用的工作原理,所以人工增雨还有另一个名字——云种播散(cloud seeding)。云种播散过程通常是往高云播散入碘化银微粒。碘化银与冰晶有着非常相似的晶体结构,可以触发过冷水凝固成冰粒的过程;另一种方式是往云中播撒干冰和液氮,降低云里温度促进云中微粒核化成为冰晶凝结核。不过,需要注意的是:这些方案的前提是云中已经存在足够的水汽并缺乏云凝结核,否则很难奏效。

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(图片说明:积雨云中气溶胶作用示意图)

事实上,并非云凝结核越多,云降水就会越多。晴朗夏日经常出现一朵朵白亮的棉花云(学名叫晴空积云),我们极少见到它们会下雨。而热带海洋上空,这些积云常在下雨。陆上和海上积云的含水量都差不多,只是陆地上云凝结核数量是海洋上空的十倍还多。云凝结核过多,众多云滴竞争有限的水汽资源,反而很难脱颖而出变成雨滴。

既然过量凝结核会减少降水,那是否可以用来减缓夏季暴雨灾害呢?答案比较令人遗憾。目前,云凝结核对降水的影响还不能达到被严格控制的程度。与晴空积云不同,带来雷暴天气的积雨云通常很深厚,能从大气低层一直发展到对流层顶。人们通过大量观测统计和数值模拟逐步发现,在积雨云形成之初,大量云凝结核的确会让下雨减少,但水汽也因此一直保留在空气中,为云提供更有利的发展环境,积雨云反而会在后期发展得更加深厚,下更多的雨甚至冰雹。

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(肖恩 图梅)

云凝结核不仅影响降水,还影响着全球的气候。1974年,美国亚利桑那大学的肖恩·图梅(Sean Twomey)教授发表了一篇名为《空气污染与地球辐射反照率》的文章,正式提出“增加云凝结核会提高云层反照率”的观点,也就是说,人类排放的气溶胶让云层变得更加白亮。IPCC报告中这种云凝结的效应被称为气溶胶的“第一间接效应”(first indirect effect),或者“图梅效应”(Twomey effect)。大洋上过往的商船排放出大量气溶胶粒子。卫星云图上那一条条比周围云层显得白亮的船尾迹就是“图梅效应”最直接的证据。

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(卫星云图,船只排放气溶胶进入云层形成一条条白亮船尾迹)

因为“图梅效应”对地球能量平衡起到冷却作用,有人期望能利用它来抵消温室效应的增温作用。2009年4月《自然》杂志发表的《伟大的白色希望(Great white hope)》介绍了目前几种人工影响云层的提案。美国国家大气研究中心科学家约翰.拉桑姆相信,将海水打碎成飞沫喷射到空中,里面的海盐会进入云层成为云凝结核,通过“图梅效应”,减少地球表面接收到的太阳辐射。但是目前研究不清楚,人工释放大量云凝结核改变云反照率以后的后继影响如何,而且人工影响天气耗费巨大收效又难以检验,这些人工影响气候提案主要被一些雄心勃勃的爱好者所推崇而未被大多数研究者所接受。

以上关于云凝结核的发现,只是大气活动中很小的一部份,还有更多更多在等待科学家们,像一副拼图游戏,等着玩家一次翻开一小片,最终翻出整幅图像。

(文字编辑:杨杨)

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14 Responses to “[凝]云的种子:成云致雨,甚至影响更多”

  1. nipper说道:

    为什么是轮船,而不是飞机呢?
    民航飞机在平流层下端飞行,发动机排出的废气微粒,更容易在地心引力作用下,降到对流层,从而影响云彩的形成啊。

    • 随便侃侃说道:

      几个原因:
      一、飞机排出的废气微粒足够的小,可以长期的悬浮在空气中不上不下,重力对其的作用已经远远小于气流的作用。
      二、飞机的废气是被排在平流层中的,平流层的大气流向决定了这些废气不会在很小范围的区域内做垂直方向的运动,而是做水平向的运动。等到逐渐落下进入对流层的时候,已经被打的非常散,无法形成航迹了。
      三、轮船航速远低于飞机,且轮船排放远大于飞机,其排放废气的单位区域分布密度远高于飞机。事实上如果是小船、快船,也是形不成航迹的。只有巨型远洋轮才有可能形成航迹。

  2. 春雨后的蟹说道:

    楼上说得有道理撒

  3. 吼海雕说道:

    尾迹……航迹……

  4. 信报箱说道:

    楼主还讲下雨这些原理啊,深奥。。够科学!

  5. 化十说道:

    今天又学习到了一些。

  6. nathan_haitian说道:

    又看到了科学脆弱的一面,天气仍然是那么不可琢磨

  7. 编客网说道:

    我一直以为凝结核就是灰尘,也不全是啊。

  8. nncat说道:

    上面说的都对,但人工影响天气(气候)还只是理论和科学实验。业务化的人工降雨增雨,基本上都是伪科学。

  9. 二次元说道:

    第一行最氧气是什么?我猜是打错了——。图梅效应学习下,有点像做个大镜子把阳光反射回去,不过这镜子不好控制呀,风一吹就跑了

  10. 大蔥说道:

    人類的影響力真的是相當之大了,真不知這是好事還是壞事。用氣溶膠來減緩溫室效應,要以失去藍天,星空作為代價,我寧願不要

  11. Hannibal说道:

    还是没有解释为什么凝结核会造成过饱和水蒸汽的凝结。

  12. 幻风说道:

    这些人工影响气候提案主要被一些雄心勃勃的爱好者所推崇而未被大多数研究者所接受。
    所谓cult……

  13. 王彬说道:

    人工的话为什么会用碘化银

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