雪的形成原理

天空中的云是一种自然现象,它给我们带来的雨水滋润着地球上的万物生长、同时也构成了水循环中重要的一环。晴朗的天空经常因为有富于变化的、多姿多彩的云的装扮更增添了诗情画意和人们无限的遐想,而当阴云密布、遮天蔽日时恐怕是雷暴和暴雨天气就要来临了。雾,可称为接地的云,当大雾弥漫时,不但为人们的交通出行带来种种不便,而且由于水汽含量增加,附着更多的有害气溶胶颗粒物和病毒细菌,为人类健康带来隐患。云和雾与我们的日常生活息息相关,它们的形成都与大气中的水汽凝结有关。

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。

雪是水或冰在空中凝结再落下的自然现象,或指落下的雪花。雪是水在固态的一种形式。雪只会在很冷的温度及温带气旋的影响下才会出现,因此亚热带地区和热带地区下雪的机会较微。

说实话,我们每天都在呼吁广大群众要节约用水,不能浪费水资源,以免造成水资源的浪费和枯竭。但是这只是对于人类来说,因为人类所需要的是淡水资源,但是在地球看来,这些水资源是稳稳当当的存放在地球上,总量一直没有变化,甚至有可能还会增加,这是为什么呢?

大气里中水汽并不多,最多时也只占大气的百分之四。我们在日常生活中经常会觉得空气有时比较潮湿,有时却很干燥,就是因为空气中的水汽有时多、有时少的缘故。我们用空气湿度的大小来表示大气中所含水汽多少,该物理量可以通过仪器测量出来。

必威,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。

雪是由大量白色不透明的冰晶和其聚合物组成的降水。

必威 1

由于地心引力的作用,地面附近空气比较稠密,越往高处,空气越稀薄。大部分空气聚集在从地面往上大约十公里的这层大气里,而大气中的水汽则几乎全部聚集在这一层次里。雨、露、霜、雪是由大气中的水汽形成的,所以它们主要产生于大气层的下部。

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。

水是地球上各种生灵存在的根本,水的变化和运动造就了我们今天的世界。在地球上,水是不断循环运动的,海洋和地面上的水受热蒸发到天空中,这些水汽又随着风运动到别的地方,当它们遇到冷空气,形成降水又重新回到地球表面。这种降水分为两种:一种是液态降水,这就是下雨;另一种是固态降水,这就是下雪或下冰雹等。

在初中有认真上化学的同学都知道,水在地球上有三种形态,固态,气态,液态,分别对应,冰,水汽,水,这三种形态来来回回互相转换,天气热了,水资源蒸发形成水蒸气上升到天空,在天空的水蒸气堆积成云,到一定程度聚集成水滴,就以下雨的形式落到地面,变成水,而在一些寒冷地区,水变成冰的形式,所以说,水在地球上的总量其实是恒定不变的。而造成水资源枯竭的假象其实是由于水资源局部转移的问题,但总的来说,地球上的水一直维持着动态平衡。

大气中的水汽主要来自地球表面。江河湖海中的水,潮湿的土壤,动、植物中的水分,时刻被蒸发到空气中。寒冷地区的冰雪,也在缓慢地升华。这些水汽进入大气后,成云致雨,或凝聚为霜露,然后又返回地面,渗入土壤或流入江河湖海。以后又再蒸发,再凝结下降。因此,在自然界里,水分周而复始地循环着,并在循环运动中不断改变着自身的状态。液态的水,可以凝固为固态的冰,也可以蒸发为气态的水汽;气态的水汽可以凝结为液态的云、雾、雨、露,也可以凝华为固态的冰晶、雪、霜;而固态的冰、雪、雹、霜可以融化为液态的水,也可以升华为气态的水汽因而雨、露、霜、雪就是这种水分循环过程中的产物。

形成降雨的条件

雪大多降自雨层云和高层云,降水强度变化较慢;冷天积雨云的降雪有阵性特征,称为阵雪。

必威 2

水汽在不但水循环中扮演着重要的角色,作为大气中含量最丰富和最不稳定的温室效应气体,在地球的辐射收支平衡、能量传输中起着重要作用。在大气辐射传输过程中,水汽既吸收来自太阳的短波辐射,也吸收来自地球的长波辐射。水的相变在大气物理过程中起到了重要的作用,某地在水汽蒸发过程中消耗能量,而在完全不同的地方会因水汽的凝结而释放能量。在大气能量传输过程中,由于水的蒸发输送产生的潜热是能量从赤道向高纬度地区输送的重要途径。

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。

降雪由大量不同大小的雪晶组成,一般小的比较多。为了描述同时下落的雪晶群体的大小分布特征,常用雪晶谱或雪晶溶化后的溶液谱。

具体来说,首先,当太阳光照射在地球表面,而海洋、河流以及湖泊内的水分子上吸收太阳辐射热后,便蒸发到大气中去,一旦水汽过饱和,水分子就会聚集在空气中的微尘周围,形成了云;当然,一些生长在地表的植物也可以通过茎叶的蒸发将水扩散到大气中,也是初中的生物知识。接下来,水分子进入大气后随气流运动,在一定条件下,遇冷凝结形成降水,以雨或雪的形式降落到地面,降水不但给地球带来淡水,养育了千千万万的生命,同时,还能净化空气,把一些天然的和人为的污物从大气中洗去。

因此全球性的水循环驱动了能量在全球的重新分配,大气水汽影响着云的生成和降水的分布。大量的水汽是形成云的先决条件,组成云体的单个云雾滴和冰晶是通过凝结或凝华作用产生的,当相对湿度大于100%时,水汽凝结成水滴或直接凝华成冰晶,这些云雾滴和冰晶又通过蒸发和降水过程而消失,云体或云系之所以能持续存在是由于新的云粒子,包括云雾滴和冰晶的不断产生而实现的。水汽凝结生成云的过程中释放能量,这影响着大气的动力学结构,使大气垂直稳定度发生改变,从而影响了天气系统的形成和降水的类型,引起气候和天气系统的演变。

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。

雪晶主要是在云中凝华增大的,首先在冷云中通过冰核的作用产生冰晶,通过凝华长大成雪晶,以后还能撞冻过冷水滴而长大。雪晶撞冻过冷水滴很多时,外形会改变。雪晶具有各种各样的形状,这同它们生长环境的温度和湿度有关。

必威 3

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。

降雪量同所有降水量一样,用相当的水层厚度来度量,单位是mm。实用上有时也用降雪在平地上所累积的深度来度量,称为积雪深度。

最后,当降水到达地面时,一部分渗入地下,补给地下水;一部分从地表流掉,补给河流.地表的流水,即径流可以带走泥粒,导致侵蚀;也可以带走细菌、灰尘和化肥、农药等,因而径流常常是被污染的。最后回归大海,水又回到海洋以及河流、湖泊等蒸发点。这就是地球上的水循环。不过总体来说,大气中的水,从蒸发进入大气,到形成降水离开大气,平均来说,完成一次循环要8~10天;世界大洋中的水,如果都要蒸发进入大气,完成一次水分循环的过程,需要3000~4000年.那么有些人会说,水蒸气不会通过大气层逃到地球外面去吗?其实不然,因为当水蒸气上升到一定高度后,遇冷凝结,便会聚集成水滴,受地球重力作用,最后形成降雨,当然,如果是人为操作,那另当别论,比如,宇航员通过宇宙飞船将大量的水携带到太空。

这些经过第二次相变后的凝结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。

大凡物事都有几种别名,雪花也有许多别称,这些别称通常都出自古代诗人的名句,比如“银粟”(独往独来银粟地———宋·杨万里诗)、“玉尘”(东风散玉尘———唐·白居易诗)、“玉龙”(岘山一夜玉龙寒———唐·吕岩诗)、“六出”(六出飞花入户时———唐·高骈诗)。在广东省,雪还有一个很奇怪的别名———“犬狂”,那是因为雪在广东非常罕见,故杨万里曾有诗云:“粤犬吠雪非差。”唐文学家柳宗元则说得更为详细:“大雪逾岭,被南越中数州,州中之犬,皆仓黄吠噬,狂走者累日。”从此,“犬狂”也就在岭南成了雪的别名。

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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。

雪花是六角形的,这一点是在中国最早见诸文字的。西汉时《韩诗外传》曰:“凡草木之花多五出,雪花独六出。”雪花虽然都是六角形,但细分起来有20000多种具有微小差别的图案。雪花多呈六角形,花样之所以繁多,是因为冰的分子以六角形为最多,对于六角形片状冰晶来说,由于它的形状的面上、边上和角上
的曲率不同,相应地具有不同的饱和水汽压,其中角上的饱和水汽压最大,边上次之,平面上最小。在实有水汽压相同的情况下,由于冰晶各部分饱和水汽压不同,其凝华增长的情况也不相同。例如当实有水汽压仅大于平面的饱和水汽压时,水汽只在面上凝华,形成的是柱状雪花。当实有水汽压大于边上的饱和水汽压时,边上和面上都会发生凝华。由于凝华的速度还与曲率有关,曲率大的地方凝华较快,故在冰晶边上凝华比面上快,多形成片状雪花。当实有水汽压大于角上的饱和水汽压时,虽然面上、边上、角上都有水汽凝华,但尖角处位置突出。水汽供应最充分,凝华增长得最快,故多形成枝状或星状雪花。再加上冰晶不停地运动,它所处的温度和湿度条件也不断变化,这样就使得冰晶各部分增长的速度不一致,形成多种多样的雪花。

所以说,自然状态下,地球上的水是基本不会减少的,只不过是转换了形态罢了,而且地球上的水有时还会增加,这是因为有些调皮的太空来客比如陨石,彗星等蕴含了一些水资源,有些在进入地球大气层时,受热融化,直接和云层融为一体,有些直接落在地球上,给地球上的水资源数量提升了一个档次。

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40000个单位,其中用于地面蒸发的能量约为10000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。

水的变化和运动造就了我们今天的世界。又液化成非常小的小液滴,也就是水汽;大气里以固态形式落到地球表面上的降水,叫做大气固态降水。雪是大气固态降水中的一种最主要的形式。

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。

冬季,中国许多地区的降水,是以雪的形式出现的。大气固态降水是多种多样的,除了雪花以外,还包括能造成很大危害的冰雹,还有我们不经常见到的雪霰和冰粒。

什么样的云彩会下雨

由于天空中气象条件和生长环境的差异,造成了形形色色的大气固态降水。这些大气固态降水的叫法因地而异,因人而异,名目繁多,极不统一。为了方便起见,国际水文协会所属的国际雪冰委员会,在征求各国专家意见的基础上,于1949年召开了一个专门性的国际会议,会上通过了关于大气固态降水简明分类的提案。这个简明分类,把大气固态降水分为十种:雪片、星形雪花、柱状雪晶、针状雪晶、多枝状雪晶、轴状雪晶、不规则雪晶、霰、冰粒和雹。前面的七种统称为雪。

人工增雨作业是希望通过人类的干预,改变云中的微物理结构,从而提高成雨过程的效率,使地面降水量增加。为此我们需要了解在自然云中,雨滴是怎么形成的?即在自然条件下成雨过程是怎样在进行的?

由气态的水汽变成固态的水有两个过程,一个是水蒸气先液化变成水,然后水再凝固成冰晶;还有一种是水汽不经过水,直接变成冰晶,这种过程叫做水的凝华。所以说雪是天空中的水汽经凝华而来的固态降水。

大气科学的研究指出,成云过程中形成的云滴或冰晶都很小,其直径在10微米左右,这种颗粒在具有上升气流的大气中是不可能落到地面的。要使云中的云滴长大为雨滴(直径至少为200微米,甚至1毫米)需要两个过程,一是凝结增长过程,但由于这一过程的效率随云滴直径增加越来越低,对直径大于10微米的云滴来说,就很难通过凝结实现体积的增长了;另一种是碰并增长过程,如果云中粒子的大小不同,则大粒子的下降速度会大于小粒子,因此它会追上小粒子并且和它碰撞、并合,使大粒子下降一路上的小粒子都并到这个大粒子中去,从而迅速变大,而且粒子越大它的碰并增长效率越高。自然界的降水粒子,无论是液态的雨滴还是固态的雪花、霰、冰雹主要都是通过这一过程形成的。

原理

既然自然界有形成降水粒子的过程,为什么有的云就会下雨,而有的云就不下雨呢?这里面的关键就在于云滴微物理结构的差异,也就是云中粒子大小分布的差异。前面关于云滴碰并增长的模型可以看到,云中要发生碰并增长,云滴一定要有不同大小,这才能发生大云滴追上并碰并小云滴的现象。如果云中粒子大小都相同,它们都以相同的速度运动,谁也追不上谁,也就谈不到让大粒子很快增大的情况,这种情况我们说云是处于胶性稳定状态,没有粒子会增大为雨滴,降水也就不可能产生。

冰云是由微小的冰晶组成的。这些小冰晶在相互碰撞时,冰晶表面会增热而有些融化,并且会互相沾合又重新冻结起来。这样重复多次,冰晶便增大了。另外,在云内也有水汽,所以冰晶也能靠凝华继续增长。但是,冰云一般都很高,而且也不厚,在那里水汽不多,凝华增长很慢,相互碰撞的机会也不多,所以不能增长到很大而形成降水。即使引起了降水,也往往在下降途中被蒸发掉,很少能落到地面。

平常我们常常可以看到云飘浮在天上,有时云层也相当厚,但就是不下雨,这种云就应当是处于胶性稳定状态。那么怎么去改变这种情况呢?我们可以人工地在云中增加一些大滴,破坏云中的胶性稳定状态,这样就可以使云中碰并过程开始进行,很快地形成降水粒子。当然,事情也要从两个方面去思考。云中若没有大粒子,处于胶性稳定状态,降水就不易形成;但如果大粒子很多,是不是对降水的形成就一定有利呢?这也不一定。如果大粒子太多,它们都去争食那些有限的小云滴,而小粒子是有限的,结果谁也长不大,可能最后还是无法形成有效的降水。因此说为了要让处于胶性稳定状态的云体尽快产生降水,要向其中播撒适当数量的大云滴,但若大云滴太多了,反而会阻止降水的发生了,这就成为消雨了。

雪景最有利于云滴增长的是混合云。混合云是由小冰晶和过冷却水滴共同组成的。当一团空气对于冰晶说来已经达到饱和的时候,对于水滴说来却还没有达到饱和。这时云中的水汽向冰晶表面上凝华,而过冷却水滴却在蒸发,这时就产生了冰晶从过冷却水滴上“吸附”水汽的现象。在这种情况下,冰晶增长得很快。另外,过冷却水是很不稳定的。一碰它,它就要冻结起来。所以,在混合云里,当过冷却水滴和冰晶相碰撞的时候,就会冻结沾附在冰晶表面上,使它迅速增大。当小冰晶增大到能够克服空气的阻力和浮力时,便落到地面,这就是雪花。

如何实现人工增雨

当靠近地面的空气在0℃以上,但是这层空气不厚,温度也不很高,会使雪花没有来得及完全融化就落到了地面。这叫做降“湿雪”,或“雨雪并降”。这种现象在气象学里叫“雨夹雪”[3]。

那么怎样向云中播撤大云滴呢?直观的想法就是直接播撤30~50微米的水滴,但其效率是很低的。目前人工增雨作业是针对云体条件,采用播撒适当数量的暖云催化剂或冷云催化剂。

水汽饱和

对暖云,也就是温度高于零度的云,这种云全部是由液态水滴组成的,我们选用有一定尺度的吸湿性颗粒物作为暖云催化剂,让它们到云中迅速地吸收水气而形成大云滴。目前更多地是用氯化铵等无机盐甚至某些有机化合物,只要它们对水汽的吸收能力强,而且容于分散成小颗粒就可以考虑试用。

空气在某一个温度下所能包含的最大水汽量,叫做饱和水汽量。空气达到饱和时的温度,叫做露点。饱和的空气冷却到露点以下的温度时,空气里就有多余的水汽变成水滴或冰晶。因为冰面饱和水汽含量比水面要低,所以冰晶生长所要求的水汽饱和程度比水滴要低。也就是说,水滴必须在相对湿度(相对湿度是指空气中的实际水汽压与同温度下空气的饱和水汽压的比值)不小于100%时才能增长;而冰晶呢,往往相对湿度不足100%时也能增长。例如,空气温度为-20℃时,相对湿度只有80%,冰晶就能增长了。气温越低,冰晶增长所需要的湿度越小。因此,在高空低温环境里,冰晶比水滴更容易产生。

另一种是混合云,这种云比较厚,其上部的温度是低于零度的,而下部高于零度。这种云在零度线以上常常会存在过冷水滴。这是在清洁大气中可能出现的一种不稳定现象,如果一有扰动,这些过冷的水滴马上就会结成冰。如果飞机进入这种过冷水的云区就会出现飞机结冰现象;在地面,若这种由过冷水滴形成的云雾碰到一些障碍物,如电线,就是很快地在电线上冻结造成电线结冰的现象。这些都是有害的自然现象,但也正是人工增雨要利用的。大气科学研究发现,在这种具有过冷水滴的云体中,若出现几个小的冰晶,那么小冰晶就会迅速长大,而那些过冷水滴就会很快地蒸发掉,把水汽集中到这些冰晶上去,这就是贝吉龙过程(BergeronProcess)。因此对于那些具有过冷水的云,可以通过播撒成冰核使它迅速形成一批小冰晶,这些小冰晶通过贝吉龙过程很快长大,到几十微米后就可以开始通过碰并过程形成迅速长大而成为雨滴,发生降水。目前用得最多的冷云催化剂就是碘化银,还包括一些与碘化银具有类似晶格结构的复合催化剂。

空气里有凝结核

这些就是当前人工增雨作业的基本思路。简而言之,人工增雨的基本思路是对于那些处于胶性稳定的云,它是因为缺少初始的大云滴,因此无法通过碰并过程形成有效的地面降水,这时我们就向云中播撒一些催化剂,促使形成一批大云滴,从而使云的成雨效率提高,增加地面的降水量。同样,对另外一些云体,由于它的大云滴的数量不足,也可以考虑补充一些大云滴,从而提高云体的成雨效率,增加地面降水量。

有人做过试验,如果没有凝结核,空气里的水汽,过饱和到相对湿度500%以上的程度,才有可能凝聚成水滴。但这样大的过饱和现象在自然大气里是不会存在的。所以没有凝结核的话,我们地球上就很难能见到雨雪。凝结核是一些悬浮在空中的很微小的固体微粒。最理想的凝结核是那些吸收水分最强的物质微粒。比如说海盐、硫酸、氮和其它一些化学物质的微粒。所以我们有时才会见到天空中有云,却不见降雪,在这种情况下人们往往采用人工降雪。

当然,事情也可能走向反面,即云体原来的大云滴是合适的,成雨效率已经很高了,过多地加入大云滴会去争食那些有限的小云滴,可能反而使降水效率降低,甚至出现消雨的后果。由于这种改变云中大云滴浓度的工作并不消耗很多能量,因此是人类可以考虑采用的方法。

前路依然曲折

那么这种做法确实是有效的吗?回答这个问题是相当困难的。尽管上面提到的这些物理过程,如碰并过程、贝吉龙过程等,在物理学上都是正确的,我们可以用理论模式进行模拟,甚至在实验室中进行实验、测试,但要了解自然云中到底是什么情况,无论是国外还是国内,至今一直没有好的解决方案。

我们一直用各种直接或遥感探测的手段,估计云的最大可能降水量,也用飞机安装云物理观测仪器到云中进行探测,希望能了解到云中大小云滴分布的状况,并进一步估计自然云的成雨效率。但这些探测至今的效果都不甚理想,尤其是云中参数的强烈起伏,很不规律,使单次观测的结果很难具有代表性。另外,从作业计划的安排和实施而言,等飞机飞到云中观测才能了解到云的状况实在已经是太晚了,我们很希望在地面通过遥感的方法就能了解到大范围云微物理结构的特征,从而判断当前云的自然降水效率的情况,这才能决定我们应当怎么样去改变云中微物理结构,增加地面降水。这些技术都需要在今后大力开发。

就是由于我们对云的状况了解不足,使当前人工增雨的作业具有一定的盲目性。在这种情况下我们只能从最终效果这方面来评估作业的效果,这就是希望有数据能够证明通过人工增雨作业地区的降水量确实是增加了,这就认为是达到目的了。但这件事简直就是不可能完成的,因为当我们说这次作业增加了多少降水量,意味着要估算作业后的降水量比不作业时多了多少?但因为已经做了作业,我们只能观测到作业以后的降水量,而不作业的自然云降水量就不得而知了。目前通用的办法是利用统计的方法,如目标区和对比区的统计分析或随机试验的统计分析。从统计学的要求来说,只有符合随机化试验设计的试验才有统计上的意义,但在现实条件下这种随机化试验是相当困难的,目前我们只能在某些地区开展严格的有设计的随机化试验。

本文作者:毛节泰教授是中国大气科学著名专家,原中国大气物理学会会长,现任北京大学物理学院大气与海洋科学系教授、博士生导师、中国气象学会大气物理与人工影响天气委员会主任。主要从事大气辐射、云物理与气溶胶的探测与研究工作。

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