其實,雲也是有重量的,以常見的云為例,每立方米的積雨雲重量大約是0.5g,而我們能夠看到的一個中型規模的雲,可能大約有10億立方米,重量約為500噸,這麼重的雲,為什麼不會從天上掉下來呢?
其實,不是它不會掉下來,而是它在滴落的過程中又被蒸發掉了。
具體原因,我們詳細說一下。
雲的形成
雲的形成,和地球上的水循環有關。我們知道,地球上海洋以及河流湖泊的水分蒸發之後,會凝結成雲,之後會形成雨,在地球引力的作用下,重新落到地面上。
我們雖然知道雲是由水蒸氣組成的,但是水蒸氣是如何蒸發到天空的呢?其實這個問題,用阿伏伽德羅定律可以得出答案:
在相同溫度以及壓強下,相同體積的任意氣體都含有相同數量的分子,因此該定律又被稱之為四同定律。
我們知道,地球大氣的成分,主要是由氮氣和氧氣組成。
其中,氮氣(N2)是兩個氮原子組成氮分子,氧氣(02)是兩個氧原子組成氧分子;而水蒸氣的化學表達式為:H2O,是由2個氫原子核1個氧原子組成。我們知道,氫原子和氧原子在化學元素周期表中比較靠前。
因此同等條件下,水蒸氣比氮氣和氧氣都要輕,所以水蒸氣在空氣之中會上升(如果覺得難以理解,可以想像一下氫氣球,氫氣球之所以能夠漂浮在天空中,就是因為氫氣球比空氣成分要小,因此可以上升)。
當江河湖海蒸騰出的水蒸氣越來越多時,這些水蒸氣會帶著地表的溫度,也就是熱量一起上升;而水蒸氣在不斷升高的過程中,氣壓也會逐漸降低,因此這些水蒸氣體積會逐漸膨脹。
這一點,其實和水裡面的水泡相同,魚剛吐出來的泡泡會比較小,但在上升的過程中會逐漸變大,原因是在液體中深度越深,壓強越大;而深度越淺,壓強越小,氣泡在上升的過程中,受到液體的壓強會越來越小,因此氣泡內的氣體壓強也會變小,所以體積會膨脹變大。
空氣中的水分子就相當於魚類吐的泡泡。
在膨脹的過程中,會導致周圍空氣溫度下降,而降溫會導致空氣不能容納更多的水蒸氣,因此一部分水蒸氣會析出,但是此時並不會形成雲,這是因為單個的水蒸氣很難與其他水蒸氣相互凝結,即使偶然凝結在一起,也會很快分開。
好在,空氣中除了水蒸氣,還有一些塵埃微粒,這些微粒可以充當凝結核,讓周圍水分子圍繞著凝結核凝聚。人工降雨其實向天空中拋灑的就是塵埃微粒,讓空氣中的水蒸氣凝結在塵埃微粒周圍,形成雨水。
研究表明,大概100萬個水蒸氣凝結在一起,才會形成1滴水。
在凝結核的幫助下,水蒸氣不斷匯聚成小冰晶或者小水珠,從而形成雲,可以被我們觀測到。由於水汽析出需要特定的溫度和氣壓,因此這些雲會維持在一定的高度。
云為什麼不會掉落下來?
了解了雲的形成之後,我們再來分析一下云為什麼不會掉下來。
在物理學上,有一個速度叫做終端速度,意思是說:
任一顆粒的沉降不因流體中存在其他顆粒而受到幹擾時,在等速階段裡顆粒相對於流體的運動速度。
看不明白也沒關係,你只需要知道,終端速度和物體的質量以及展開面積有關。比如:一塊磚頭下落的速度,和同等體積的棉花終端速度不一樣的原因是,磚頭更重;而同等體積的棉花更輕,因此棉花的終端速度比較小。但如果一塊磚頭綁上了降落傘,而棉花沒有,那麼很有可能 磚頭的終端速度更小。
雲層裡的小水珠其實也有終端速度,但由於小水珠的質量過於輕,因此它的終端速度非常非常慢,每秒的墜落速度可能只有幾毫米。
再加上小水珠在墜落的過程中,會帶動空氣流動,而空氣流動會加速水分蒸發,因此小水珠還未掉落到地面,就被蒸發了,因此,雲就不會掉下來了。
雨之所以能夠掉下來,是因為雨水的重量較重,終端速度比小水珠要快得多,蒸發速度沒有降落速度快,雨水還未蒸發完,便已經掉落在地上了。以上這些就是云為什麼不會掉落下來的原因。