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一朵雲有多重？
為什麼它不掉下來？
為什麼可以在天上飄
人為什麼不能一直飄著？
一朵雲等於幾頭大象的重量？
表面看上去，像棉花一樣的雲朵好像很輕巧，應該不會有多重，我們仿佛用雙手就能輕而易舉地舉起一片雲。然而，事實完全相反，要知道雲是由水滴組成的，而水其實還挺沉的（1l的水在正常氣壓條件下重為1kg）。你不信的話，可以回想一下在超市裡買水的場景。顯而易見的是，雲朵的重量取決於它的體積大小，畢竟沒有兩朵完全一樣的雲，此外還取決於雲朵中的懸浮物有多少。有趣的是，我們通常認為國際質量體系會用千克來衡量雲的重量，但其實國際上常用一個特定的計量單位來表示雲的重量：大象。據位於美國科羅拉多州的國家大氣研究中心計算，平均而言，一朵雲重約100頭大象（一頭大象平均重量為6t），而伴隨著暴雨的大型積雨雲可以重達20萬頭大象。這樣算下來，幸虧雨是一點一點地落下來，而不是瞬間傾盆，否則，對我們的城市和鄉村而言，這些雲可稱得上是「水炸彈」了，一切物品都會被砸個稀巴爛。不過，因為雲是由無數個質量很小的水滴組成的，所以我們大概可以計算出形成一朵雲所需要的水滴數：假設20滴水的體積為1cm³，那麼一片積雨雲大概含有24億滴水。現在，你可以再想像一下，24億個小水滴凝聚在一起，懸浮在空中，形成了一朵雲，而這朵雲可能是一個龍的形狀，也可能長得像一頭小熊。
為什麼掉不下來？
1.一言以蔽之：終端速度低
用一般口語來說，終端速度是自由落體物體在重力和空氣阻力的相互制約下，最終能夠達到的最大勻速。
一般規律是，物體自重越重，終端速度越大。在分析云為什麼不會掉下來這個問題時，我們不能考慮整片雲（自然語言）的總重，因為組成雲的微小液滴之間獨立存在，並沒有相互作用。因此對該問題涉及整體浮力和密度的內容的回答則不可取，因為雲朵並非作為一個整體發生內部互相牽連的相互作用；而對於單個液滴或冰晶，其密度又遠大於空氣。
對於其中的每一個液滴，由於其重量極小，終端速度也因此很小（大概在mm/s）量級。此時細微的氣流擾動便可以將這些液滴託起，回到原來的高度上。那麼為了支持上述結論，讓我們做一些高中程度的受力分析。
任何物質-實體在地球環境下都會受到來自地球的萬有引力[2]，萬有引力的一般公式為其中G為萬有引力常數。而對於地球情況，有一個基於實測值的簡化版公式，為注意式(2)中的G為物體在地球環境下受到的重力，而不是式(1)中的萬有引力常數；g為待測物體局域重力加速度，需要經過實測。通過上面兩個式子，我們可以發現，其實所謂重力加速度實測值的物理本質即為而由於萬有引力常量G和地球的質量 都是定值，所以我們可以說：重力加速度僅與待測物體與地心的距離的平方呈反比關係但在實際情況中，地球表面的物體與地球之間的受力關係還是要比上述關係要更複雜一些，主要在於地球存在一定速度的自轉（360°/~24 hrs），所以實際呈現的重力實則是單純的萬有引力中排除因地球自轉牽扯的一定向心力之外的分力。
高中生如果不打算拓展一下這方面的知識（因為確實也沒什麼用）可以直接略過這部分。在無明顯氣流的空氣場中，運動物體受到的空氣阻力與其相對於空氣的速度有關，空氣阻力的一般公式其中， 為氛圍氣體的質量密度，v為運動物體與氛圍氣體的相對速度， 為氛圍氣體的阻力係數，A為運動物體在其運動方向的法向平面上的投影面積、亦即受風面積。於是式(2)與式(5)之差即為自由落體物體所受合外力為下式，為了便於高中生理解，我們姑且把空氣阻力簡化為一個與速度的平方相關的函數自身，而非展開的內容
由此我們可以得知，在物體自由落體的第一瞬間，此時物體的瞬時速度為零，方向鉛垂，只受重力，根據牛頓第二定律可知此時物體具有最大加速度。而隨著物體的加速，作為速率的二級物理量的空氣阻力以二次函數的速度增長，此時物體所受合外力為保持恆定的物體重力（在F-t圖中是一條水平的直線）和迅速增大的空氣動力（在F-t圖中是一個經過坐標原點的單調遞增二次凹函數）的差值。我們可以求得對於任何一個物體，其自由落體時所能達到的最大速度，即在該速度下，物體的重力與空氣阻力大小相等、方向相反，合外力為零；該速度稱為終端速度，在不考慮地球自轉帶來的影響和空氣浮力的情況下，自由落體物體的基本受力關係和終端速度 （下角標t來自於終端速度的英文terminal velocity的首字母）的表達為提到，可以將上式(8)中質量項m和受風面積項A做幾何學展開，也就是當然是可以的，但要預設「水滴呈球形」這個近似。如此一來，式(8)便可以進一步化簡併最終得到一個描述不考慮空氣浮力時靜止空氣中自由落體球的終端速度與該球體半徑r的式（9）和關係（10）既然理清了上述關係，那麼就回到問題，
為什麼天上的雲朵能一直保持在天上而不會掉下來？在猜想中我們或許會有各種各樣的假說，比如天上的雲或許是水蒸氣？但是如果是水蒸氣，那麼它不應該具有光學性能，而應該是完全透明的。所以雲的本質依然是極為細小的液態水和固態水冰顆粒。通過上面公式推導中的最後一個公式，式(8)，即具有一定質量的物體在自由落體情況下的終端速度，我們會觀察到終端速度與物體重力的二次方根成正比，或曰物體重力是其終端速度的二級量。因此不難想像，對於一個質量極小的水滴或冰晶，在自由落體情況下所能達到的最大速度也是很小的（比如若干mm/s），此時微小的氣流即可以將整片雲層託起，而不至於掉落。正是由於小質量物體終端速度低，我們在空氣中使用噴霧、灑水器等產品時，也能發現噴出的液滴自由落體（但其實更嚴格說應該是平拋或斜拋）的加速度速度明顯慢於具有相對大質量物體（比如你的手機）的掉落加速度。因為
即使液滴可以掉下來，它在下降的過程中也蒸發掉了，也就不是雲了。雲是怎麼形成的？一言蔽之，是由於地面的上升空氣在高空冷卻，達到露點以下後，蒸汽開始冷凝成為小液滴，從而形成雲。其實這個問題並不對，
並不是所有的雲都相對穩定。有很多不穩定的雲，例如積雨雲。這裡面有空氣動力學的原因。地面的空氣受到地面溫度加熱開始上升。我們可以想像一團氣流（就像包裹在熱氣球裡面）。當它上升的時候，由於壓力的下降，它會膨脹，膨脹導致對外做功，進而導致溫度下降。當還沒有蒸汽冷凝的時候，這個溫度下降的速度大約是10℃/公裡（這個叫做幹絕熱直減率，DALR，Dry Adiabatic Lapse Rate）。而大氣環境的自然溫度下降大約是6.5℃/公裡（這個叫做環境直減率，ELR，Environment Lapse Rate）。因而在這個時候，上升氣流冷卻的速度要快於環境冷卻速度。當溫度下降到露點之後，氣流中的水蒸氣開始冷凝。冷凝過程中放熱，因而這時候氣流的溫度下降速率就會變慢，一般在6℃/公裡上下（溼絕熱直減率，MALR，Moist Adiabatic Lapse Rate）。這個時候，上升氣流的冷卻速度往往慢於環境冷卻速度。不論如何，當上升氣流在不停上升的時候，它的溫度下降，進而密度增加。當它的冷卻速度快於環境的冷卻速度時（DALR>ELR），由於浮力效應，它就會漸漸有下沉的趨勢，漸漸抵消它的上升趨勢。如果當液滴開始形成時，它的下沉趨勢仍然不足以完全抵抗上升趨勢，它就會持續上升。已經沒有什麼可以讓它停下來了，因為這時候開始，它的冷卻速度變慢了，它的變冷速度不如環境的變冷速度（MALR<ELR ）。於是它就總是比環境溫度高，直接的後果就是它越來越上升，溫度越來越低，冷凝越來越多，最終雲層崩潰，形成雨。這叫做不穩定雲。
但是，當開始冷凝的時候，它已經比環境溫度冷了，於是就出現了下沉的趨勢，那麼它就不會繼續上升，而是四散開來，轉而以對流的方式下沉。因而液滴就不會繼續冷凝，就不會出現雨。這就是為何我們在晴天的時候看到的雲是大致在同一個高度平鋪開的。
那麼，問題來了，既然此時氣流開始下沉，為何雲層不會跟著下降呢？
很簡單，當氣流下沉的時候，溫度開始升高了。因而小液滴就又蒸發掉了。也就是說，
雲層是在下降的，只不過下降後它就不是雲了，因而你也就看不到了。而在這個高度的雲層，則被不斷上升的氣流帶來的溼氣補充。因此你看到的就是一個穩定的雲層。當然，大氣對流和雲層變化是一個非常複雜的現象，有各種不同的雲有不同的形成機理。這裡只是簡化言之。具體請參照氣象學原理。
云為什麼在天上飄掉不下來？
大家明白了嗎？
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