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看,天上有朵奇怪的云

来源:http://www.yamatoshokai.com 作者:www.041.net 时间:2020-05-08 14:49

《连线》揭秘七大神秘怪云背后的奥秘

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《连线》杂志为读者揭开了关于一些奇怪云彩的背后奥秘,包括管状云、乳房云、UFO云形成的原因。

(图片:Science Photo Library / Rex Features)

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图 1: 美国夏威夷莫纳克亚山(Mauna Kea)的一团荚状云。荚状云因其酷似飞碟的形状在 UFO 信徒中非常受欢迎。这种透镜状的云一般见于高海拔的地方,通常是在潮湿空气越过山脉,在下降时被绝热地受热(也就是没有任何热能转移)时形成。这种云层的形成取决于风速和山的形状。恒风会产生非常稳定的云层,云的这种形状能在相当长的一段时间内保持不变。

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这种云彩被称为管状云,它还有一个优雅的名字叫“晨暮之光”(Morning Glory)。每年秋天,澳大利亚昆士兰州伯克顿镇上空都会出现这些长长的管状云,最长可以延伸到约966公里,移动的时速最快可达35英里,即使在无风的天气里也可能给飞机制造麻烦。伯克顿是一个偏远小镇,居民不足200人。每年都有一些飞行员和游客来到这个小镇,希望能亲眼目睹这一神秘云彩。

 

关于这种神秘云彩的形成原因,之前一直未能有人给出确切的答案。德国慕尼黑大学的气象学家罗杰:斯密斯在经过长期研究后揭开了管状云的神秘面纱。

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“晨暮之光”现象是昆士兰州约克角半岛附近大海和陆地所形成的独特地理位置而产生的一种特殊的气候构造。约克角半岛长500英里,岛尖伸入卡奔塔利亚(Carpentaria)湾之间,整个半岛的宽度从350英里到60英里到不等。每到秋天,来自东部的信风在白天将海风吹过半岛,这股风向在深夜又会遇到来自西海岸的海风,两股海风碰撞之后会产生波状扰动,然后转向西南方运动进入内陆,这是“晨暮之光”形成的很重要的原因。 接下来,当潮湿的海洋空气在早晨升起后遇到进入内陆的海风,空气因此冷却凝结形成一条管状的云彩,这就是“晨暮之光”。因海风进入内陆的次数不同,形成管状云彩的个数也不同。斯密斯称,他最多看到十条这种管状云彩,非常壮观。

(图片:Science Photo Library / Rex Features)

斯密斯表示,“如果你看着这些云彩,会感觉它们在向后滚动。实际上是云彩的前缘在不断形成,而后缘则在不断的消失,因此给人以一种滚动的感觉。”

图 2: 非洲西部塞内加尔马里边境的积雨云。积雨云是一体积相当庞大的降雨性云块。其发展初期通常是由积云开始,随者水气源源不断的供应渐渐发展而成。这种云的底部通常平坦而黑暗,但顶部可以非常平滑,呈羽毛状甚至砧状。积雨云发展的高度十分的高,一般可厚达 15 公里,内部运动十分活跃,经常伴随雷电和强烈的降雨现象。这张图拍摄于国际空间站(ISS),可以看到在云层的主体下面有着一些塔状积雨云,给下面的陆地投下大片的阴影。

斯密斯称,这种云彩实际上在每个地方都有发生,在慕尼黑也有,不过一般要十来年才会发生一次。伯克顿镇能够经常发生是因为约克角半岛所处的独特地理位置,而且这个地方形成的“晨暮之光”现象更壮观,最长的管状云可达600英里。

 

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这种云彩被称为“乳房云”。乳房云的出现通常预示着暴风雨天气的降临,世界各地经常出现这种奇异的气候现象。美国加州大学圣克鲁兹分校物理学家帕特里克:张称,“这种云彩的外形看起来很奇怪,如同一个个袋子挂在天空一样。”

(图片:Science Photo Library / Rex Features)

科学家们对乳房云的形成也做过一定的研究。美国国家大气研究中心的云物理学家丹尼尔:布雷德指出,空气的浮力和对流是乳房云形成的关键。 乳房云实际是一种颠倒的气流,在下降气流当中温度较冷的空气与上升气流中温度较暖的空气相遇,就会形成一个个像袋子形状的乳状形云。

图3: 美国南达科塔州东北部的一片乳状云。乳状云,也称乳房状积云,顾名思义,因其形状像乳房而得名,这是一个气象学术语,用来形容这种像是细胞状的弹药袋挂在云层底部的云层。它们可以产生一些奇异的形状,并且和暴风雨也有着一定联系。

乳房云之所以如此平坦均匀是因为其下方的热结构非常独特。在每一朵乳房云中,气温的下降和云朵的重量增加是成正比的,也就是所谓的“气温直减率”,最终两者将达到一个稳定的状态。换句话说,如果你将一个温度较温暖的气泡放在乳房云的某个地方,它根本不会上升或者下降,因为云彩中没有热量流动。这种独特的热结构通常是雷暴天气所特有的。

 

布雷德称,“只要有雷暴天气发生,一定会产生乳房云;但是有乳房云的时候不一定会有雷暴天气。”

 

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(图片:Science Photo Library / Rex Features)

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图 4: 这张图里的音爆云是在一架 F/A-18“大黄蜂” 战斗机在跨越太平洋时拍摄所得。这架战斗机不是正在穿过云层,而是在向着音速加速的时候,在飞机周围形成了云。飞机在空气里穿梭,在其身后形成低气压区,导致温度降低,空中的水蒸气凝结,产生了云。

荚状云的形状看起来很像UFO,它是由重力波产生的。帕特里克通过汽车减震器的原理来描述什么是重力波。

 

帕特里克称,“当你开着凯迪拉克以很快的速度通过一段崎岖不平的道路时,你会感觉到自己也在上下颠簸。你往下颠是受地球重力影响的原因,而你向上颠是因为减震器的弹簧将你往上推的缘故。”

 

荚状云形成的原因就有点类似于这个过程。气流移动时遇到的崎岖路段就是一些或高或低的山丘。气流在流经山丘时,低层密度较大的空气被迫抬到高处。在越过山顶后,由于失去山的支撑, 这些密度大的空气仍向下运动,等到达原来空气的高度时,因为惯性的关系还会继续向下运动,但此时空气已经进入到密度较大的环境中了(因为大气密度是随高度而成指数减少的),于是向上的浮力又使之向上运动。当上升气流使空气绝热冷却而形成云时,如果又遇到下降气流的阻挡,其边缘部分就会因下降气流而逐渐变薄,这样便形成了荚状云。 而这种上下交替的周期性运动就是重力波运动。

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当气流遇到其他障碍时也会形成荚状云,比如高度很高的雷雨云,因为它们也通常在山丘的顺风坡形成。一个山脉可以形成一系列的荚状云,但是如果山丘比较孤立,那么形成荚状云的形状就会是椭圆形的,远看像UFO一样。有时候形成的椭圆形比较多,看起来就很像一叠叠的盘子。

(图片:Science Photo Library / Rex Features)

美国国家大气研究中心的云物理学家丹尼尔:布雷德称,“我很喜欢荚状云,因为我经常看到它。我喜欢的各种形状的云有很多,但是荚状云是我唯一拿来做屏保的。”

图5: 美国怀俄明州的平原上空的一场超级细胞雷暴(Supercell Storms)。这种雷暴会带着巨大的能量旋转,引起强劲的上升气流,导致恶劣的天气,包括龙卷风、冰雹、暴雨、闪电和大风。在这种长时间持续的超级风暴的里面,风速和方向会随着高度而改变,这会产生强烈的旋转的上升暖气流(中气旋),以及单独的下降冷气流。大约三分之一的超级细胞雷暴会产生龙卷风。

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这种碎浪花云是根据开尔文-赫姆霍兹原理形成的卷云。卷云是高云的一种,也是对流层中最高的云,平均高度超过1800米,是很薄很纤细的云彩,能反射和诱捕热量。所以清晨当太阳还没有升到地平线上或傍晚太阳已下山后,光线都会照到这种孤悬高空而无云影的卷云上,经过散射后,显现出漂亮的蚕丝般的光泽。

 

根据开尔文-赫姆霍兹原理,当两层密度不同的空气或者液体以不同的速度相遇并通过时,就会在边缘形成一种类似碎浪花的形状。

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帕特里克称,这就很像油和醋一样。在海洋里,处于洋流上层的是温暖的海水,底层则是很冷的海水。当一大滩水上流动着在一层油,然后遇到一层以不同速度流动的醋。这两种物质相遇后,根据开尔文-赫姆霍兹不稳定性理论,最终会在其边缘形成一种波。这种波的边缘中有一部分会向上运动,另一部分会向下运动,但是因为其中一层物质的流速比另一种快,所以在波的顶层会出现一种碎浪花的形状向水平方向运动,最终就形成了我们看到的碎浪花云。

(图片:Science Photo Library / Rex Features)

帕特里克表示,实际整个过程就像海边的碎波一样,当上层海水的移动速度超过底层海水时,就会形成一种推挤和堆积。

图 6: 俄罗斯千岛群岛的火山喷发形成的帽状云(不是中间那一朵,是周围薄薄的那一圈哦)。帽状云也被称作斗笠云或山帽云,多现于孤立的山峰,或者向上发展的积云或积雨云上方。在这张照片中,帽状云下方是由火山灰形成的云层。当密集的火山灰形成火山碎屑流沿着火山两侧滑下时,大量烟雾、蒸汽和灰烬从火山中喷发出来。这股热空气遇到火山顶部的积云,云团内的一部份潮湿而温暖的空气因被其他的暖空气所包围而无法即时冷却,结果被迫继续向上提升。当上升至云层顶部时,周遭的气压骤降,暖空气便突然向外膨胀并凝结出无数的小水滴,就形成了帽状云。你会注意到中间有一圈没有云,这可能是由火山喷发引起的,火山爆发时的冲击波,造成火山灰和水蒸气周围的大气被挖空,形成一个空洞。

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今年6月12日,一位国际空间站的航天员在太空拍到了地球一座火山爆发时的照片。照片中爆发的火山是Sarychev火山,它位于日本东北部千岛群岛的松轮岛。照片中由褐色火山灰和白色水蒸气形成的巨大云柱直冲天空,云柱顶端呈现出帽子的形状,因而被称为帽状云。

 

火山爆发时的冲击波,造成火山灰和水蒸气周围的大气被挖空,形成一个空洞,火山灰快速上升,把空气迅速拉抬并冷却,造成水蒸气凝结,最终形成了帽状云。帽状云的形成需要能导致温暖、湿润的空气能够快速上升等外界因素,因此它一般在雷暴云砧、火山喷发及核弹爆炸等特殊环境中才会产生。

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布雷德表示:“在雷暴天气当中,由于空气快速上升,并且不断同大气层空气进行混合,当气流达到形成云层所需温度后,就会形成帽状云。因此,在雷暴天气当中,帽状云现象是非常常见的。”

(图片:Science Photo Library / Rex Features)

帕特里克则称,帽状云同积云顶部的平滑层非常类似。但是实际上,我们看到的积云是冰盖。他表示:“如果高空存在较强的对流循环气流,气流混合后就形成了冰晶云。在高度足够的情况下,气流可结成冰晶。”

图 7: 西西里岛的埃特纳火山熔岩口喷出的蒸汽环。当一股蒸汽脉冲从类似圆柱形的火山口喷发出来时,蒸汽环就会形成。这股蒸汽的中心被热力推动,而边缘的蒸汽被周围的空气向外拉,便形成了一个环形的旋转,在恰当的条件下会稳定地持续一段时间,这个过程就好像在吐烟圈一样。

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今年7月份,在美国和欧洲部分地区出现了夜光云现象。

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夜光云是由地球大气层与太空交接处的冰晶组成,高度在五十英里左右。它们发光是因为其高度较高,虽然我们看到太阳已经落到地平线以下,实际上它们却还处在太阳的光照范围之下。但是目前,科学家们还无法确定夜光云是否是从地球南北极漂移到了其它地区,也无法搞清为何极地地区夜光云出现频率更高,亮度更大。

(图片:Science Photo Library / Rex Features)

夜光云形成温度在大约零下230华氏度,这为由下而上吹起或从太空落下的灰尘提供了凝缩冻结的停留地点。由于目前北半球正处于夏季,大气在升温上升,但是在大气外部的边缘处,由于大气已经远远地延伸到太空,实际它们正在逐步冷却。

图 8: 盘旋在智利的亚历山大·塞尔扣克岛上空的卡门漩涡云(Von Karman cloud)。 卡门漩涡(Von Karman vortices) 是流体力学中重要的现象,为纪念已故的流体动力学家西奥多·冯·卡门(Theodore von Kármán)而得名:在流体中安置阻流体,在特定条件下会出现不稳定的边界层分离,阻流体下游的两侧会产生两道非对称排列的旋涡,这两排旋涡相互交错排列,各个旋涡和对面两个旋涡的中间点对齐,就像街道两边的街灯一样。

这些云虽然很漂亮,然而,它们却是全球变暖而引起的全球性气候变化的征兆。汉普顿大学的大气科学家詹姆斯:拉塞尔表示:“目前比较流行的理论和最合理的解释是,二氧化碳在地表五十英里之上累积会导致气温降低。”

这些云看上去就像被打了孔一样,实际上它们是很自然的被风巧妙地吹出漩涡的形状。在这张图片中,这些漩涡的出现是因为亚历山大·塞尔扣克岛的顶峰(左下角)扰乱了风吹的云层。这张图由美国航空航天局发射的 Landsat-7 卫星上的增强型专题制图仪(ETM)拍摄所得。

没有人知道确切的答案,不过,大部分答案似乎都指向人类活动而引起的全球气候变化。

 

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滚轴云一般在风暴潮形成之前,在大气底端形成。原因在于:风暴潮中的温暖气流向上升时,也会推动周围的冷空气向上,二者混合后,风暴潮周围气流的温度会下降。当向上热空气及向下冷空气产生对流后,就会在风暴来临之前形成波浪状的云状结构。当暴风雨逼近时,寒冷的向下气流形成的云层会蒸发,这时整个云层就会扩展开来,最终形成了滚轴云。

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盘点各种怪异云层 乳房云预示暴雨降临

(图片:Science Photo Library / Rex Features)

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