每日一个为什么

为什么一朵云能有五百吨重,却整天飘在天上不掉下来?

6 个部分约 7 分钟本文 2770 字
PART 01

那朵云在你头顶停了半小时

夏天的午后,一朵云在你头顶停了半个小时。影子从院墙爬到井台,又从井台挪到门槛上,一滴雨也没落。你抬头看它,白得发亮,边缘毛茸茸的,像有人拿棉花在蓝布上蹭了两下就走开了。

它看上去什么分量都没有。风一来它就挪地方,小孩说那是烟,老人说那是老天爷的棉被。可它有影子,影子还跟着挪。挡得住太阳的东西,总该有点分量。

三千多年前的商代人比我们清楚得有限。在安阳殷墟出土的甲骨上,他们烧灼龟甲和牛骨,反复问同一件事,留下来的原话是「今日其雨」,今天下不下雨;还有追问方向的「其自西来雨」,雨打西边来。

他们知道云连着雨、连着雪。《诗经》里写到云,写的也只是它连成一片:「上天同云,雨雪雰雰。」云自己是怎么回事,一直没人说得上来。

它靠什么停在半空?总不能是有人在上头端着。

PART 02

都说它比空气还轻

关于它为什么不掉下来,流行的解释有两个,都只说对一半。

第一个是「云就是水蒸气」。水蒸气看不见。你烧一壶水,壶嘴正上方那一小截什么都没有的地方才是水蒸气,再往上那团白气,已经是一群小水珠了。云里的东西跟那团白气一样,全是一颗颗小水滴,冷一些的云里还混着冰晶。

第二个是「云比空气轻,所以浮着」。潮湿空气确实比干燥空气轻些,水分子比氮分子、氧分子都轻,同样体积下湿空气更「瘦」。可水滴比空气重上千倍,一朵云的密度压得过周围的空气。

而在说它轻不轻之前,得先看它有多重。一朵晴天里的积云,横竖大约一公里,这个宽度你量它的影子就能估出来。边长一公里,就是十亿立方米的一个方块。

云里的水并不浓,每立方米只有半克左右,这个密度有人真测过。半克乘十亿,是五十万公斤。

五百吨。成年非洲象一头五吨上下,这朵云等于一百头大象。

想摸到云不难。坐缆车上黄山,从云里穿过去那十来秒钟,脸上和袖口会挂一层细水珠,凉凉地贴着皮肤。雾就是落到地面上的云,你在雾里走一趟,头发是湿的。

PART 03

一百万滴才凑出一滴雨

云里的水滴小得不像话,半径十个微米上下,不到你头发丝直径的五分之一。

这么小的东西往下掉有多慢?静止的空气里,它每秒只沉一厘米左右,一小时三十几米,一天落不满一公里。而一朵云通常就挂在一公里的高度上。

云底下有上升气流,每秒一到三米,比水滴下沉快上百倍。滑翔员最清楚这件事:他们专挑一朵积云底下打转,因为那儿有一股稳定的抬升;云一散,气流就停,滑翔机得赶紧去找下一朵。

真正要紧的是另一件事:云是一台一直在运转的机器。它像瀑布,水一秒钟也没停过往下落,瀑布本身却一直挂在那里;也像行军的队伍,每个人都在往前走,队伍的位置一动不动。

云底压得平,边上像开了锅一样往上翻,那里就是新水汽被送上去、凝成水滴的地方。每克水汽凝结时会放出两千二百多焦耳的热,把周围空气烘热、烘轻,接着往上顶。云是烟囱的顶,烟囱本身看不见。

雨的成形还得再凑数。一颗半径一毫米的雨滴,体积是一颗云滴的一百万倍。它落到你手臂上,是上百万颗云滴合起来的结果。

PART 04

他开着车,给一朵云称了重

云能被叫出名字,是从一个药剂师手里开始的。

1803 年的伦敦,卢克·霍华德白天配药,空下来就抬头记云。那一年他在《哲学杂志》的七、九、十月三期上连载了一篇长文,把天上的云分成三类:卷云(cirrus,原意是一束头发)、积云(cumulus,一堆)、层云(stratus,一层)。

他是贵格会教徒,特意只用拉丁语词根,不让名字沾上宗教色彩。九十三年后,这三个名字被写进第一版《国际云图》,一直用到今天。

小册子后来被译成法文和德文。歌德读到德译本,先写了四段诗,一段对应一种云;1821 年又添上序诗,题为《向霍华德致敬》。

英译本里有几句是这样说的:「他给了全人类新的课程:把含糊的定下来,圈出界限,恰到好处地叫出了名字。荣誉应当归你。」

霍华德当时不知道云为什么浮着。他能做的只是看清形状,再起个名字。解释浮力这件事要等热力学成形,还要等有人真的去称它。

去称它的人叫佩姬·勒莫内,在美国国家大气研究中心做事。她的办法笨得可爱:开车在云底下走,用车上的里程表量出云影有多宽,把云当成一个边长一公里的方块,再乘上每立方米半克的水。

她自己的说法是:「我算出来大约是五百五十吨水。」

画家的反应更直接。康斯特布尔说自己的行当「既是科学的,也是诗的」,比着霍华德的办法看天以后,他画里的云有了厚度。美术史里还有一句被反复转引的话,出自画家亨利·富塞利:看过康斯特布尔的云,他想去找外套和雨伞。

PART 05

十五微米到五十微米之间

一朵云里的水滴怎么长成能落下来的雨滴,中间有一段路至今没人走通。

半径不到十五微米的时候,水汽往水滴上凝结,长得很快。超过五十微米以后,大水滴落得快,追得上小水滴,撞上就并成一颗,效率也高。难就难在中间这一段:凝结慢了下来,碰撞才刚刚变得可能。

从十微米长到一毫米,体积要翻一百万倍。而在不含冰的暖云里,观测到的雨常常半小时就落下来了,标准模式算不出这么快。这个差距挂了半个世纪。

眼下有几拨解释在竞争。湍流把水滴甩来甩去,让本该错过的撞上,有人算出平均能把碰撞效率提高约两倍(特拉华大学王连平与 NCAR 格拉博夫斯基,2009)。也有人说靠「幸运水滴」,极少数几颗走得比同伴快,先一步跨过去,其余跟着长。

再就是海盐巨核、云外干空气的夹卷。2025 年还有人写论文算到底需要多少颗、多大的「胚胎」,雨才起得来(《大气化学与物理》第 25 卷)。谁主谁次,没有定论。

人工增雨是另一笔糊涂账。往云里撒碘化银或者盐粒,给水滴多添些种子,道理上顺理成章;可下了多少雨算你催出来的,很难分辨。

中国做这件事的规模是世界第一,2023 年一篇发表在《跨国环境法》上的分析里,一批知名大气科学家对效果的说法提出过质疑。

气象雷达看得见雨在哪儿,看不出一滴雨是怎么长出来的。一颗雨滴砸在手臂上只留一个凉点,那是上百万颗云滴凑到一起的结果。

这半小时里发生的事,我们差最后一段没算清。

PART 06

一个业余爱好者起的名字

云图里最后添进去的那个名字,是一个业余爱好者起的。

2006 年六月二十日,爱荷华州锡达拉皮兹,简·威金斯站在一栋写字楼的窗边,看见天底下一层层波浪云,像把粗糙的海面从下往上翻过来,拍了下来,寄给「赏云协会」。那是个 2005 年成立、专门看云的组织。

两年后,协会创始人加文·普雷特-平尼提议给这种云起名 asperatus。

2017 年三月二十三日是世界气象日,世界气象组织发布新版《国际云图》,把它收为「补充特征」,名字改成 asperitas,拉丁语里的意思是「粗糙」。它是 1951 年以来第一个被添进云图的云。

普雷特-平尼在发布会上说:「糙面云是靠现代技术支持的公众科学认出来的。协会成员把世界各地拍下的天空寄给我们,我们才能看出规律,这个提案就是这么来的。」

糙面云长得像暴雨将至,其实绝大多数时候一场雨也不下,看着看着就散了。

再回到你自己头顶那朵。你看见的不是一个东西,是三件事同时在做:空气在上升,水汽在凝结,水滴在往下落。三边抵消得刚刚好,于是它看起来一动不动,像棉花蹭在蓝布上。