初二物理科普短文雨雪云雾露霜冰雹的成因

(一）雨的形成
我们已经知道,云是由许多小水滴和小冰晶组成的,雨滴和雪花就是由它们增长变大而成的.那么,小水滴和小冰晶在云内是怎样增长变大的呢?
在水云中,云滴都是小水滴.它们主要是靠继续凝结和互相碰撞并合而增大的.因此,在水云里,云滴要增大到雨滴的大小,首先需要云很厚,云滴浓密,含水量多,这样,它才能继续凝结增长；其次,在水云内还需要存在较强的垂直运动,这样才能增加多次碰撞并合的机会.而在比较薄的和比较稳定的水云中,云滴没有足够的凝结和并合增长的机会,只能引起多云、阴天,不大会下雨.
在各种不同的云内,其云滴大小的分布是各不相同的,造成云滴大小不均的原因就是周围空气中水汽的转移以及云滴的蒸发.使云滴增长的因素是凝结过程和碰撞并和过程,在只有凝结作用的情况下,云滴的大小是均匀的,但由于水汽的补充,使某些云滴有所增长,再加上并和作用的结果,就使较大的云滴继续增长变大成为雨滴.雨滴受地心引力的作用而下降,当有上升气流时,就会有一个向上的力加在雨滴上,使其下降的速度变慢,并且一些小雨滴还可能被带上去.只有当雨滴增大到一定的程度时,才能下降到地面,形成降雨.
（二）雪的形成
我们都知道,云是由许多小水滴和小冰晶组成的,雨滴和雪花是由这些小水滴和小冰晶增长变大而成的.那么,雪是怎么形成的呢?
在水云中,云滴都是小水滴.它们主要是靠继续凝结和互相碰撞并合而增大成为雨滴的.
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.
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.
在初春和秋末,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”.
同样雪的大小也按降水量分类. 雪可分为小雪,中雪和大雪三类, 具体见表3.
表3. 各类雪的降水量标准
种类 大雪 中雪 小雪
24小时降水量大于5.02.6-5.02.5以下
12小时降水量 大于3.01.1-3.0 1.0以下
（三）云的形成
人们常常看到天空有时碧空无云,有时白云朵朵,有时又是乌云密布.为什么天上有时有云,有时又没有云呢?云究竟是怎样形成的呢? 它又是由有什么组成的?
漂浮在天空中的云彩是由许多细小的水滴或冰晶组成的,有的是由小水滴或小冰晶混合在一起组成的.有时也包含一些较大的雨滴及冰、雪粒,云的底部不接触地面,并有一定厚度.
云的形成主要是由水汽凝结造成的.
我们都知道,从地面向上十几公里这层大气中,越靠近地面,温度越高,空气也越稠密；越往高空,温度越低,空气也越稀薄.
另一方面,江河湖海的水面,以及土壤和动、植物的水分,随时蒸发到空中变成水汽.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(升华),再凝结(凝华)下降.周而复始,循环不已.
水汽从蒸发表面进入低层大气后,这里的温度高,所容纳的水汽较多,如果这些湿热的空气被抬升,温度就会逐渐降低,到了一定高度,空气中的水汽就会达到饱和.如果空气继续被抬升,就会有多余的水汽析出.如果那里的温度高于0°C,则多余的水汽就凝结成小水滴；如果温度低于0°C,则多余的水汽就凝化为小冰晶.在这些小水滴和小冰晶逐渐增多并达到人眼能辨认的程度时,就是云了.
（四）雾的形成

雾和云都是由浮游在空中的小水滴或冰晶组成的水汽凝结物,只是雾生成在大气的近地面层中,而云生成在大气的较高层而已.雾既然是水汽凝结物,因此应从造成水汽凝结的条件中寻找它的成因.大气中水汽达到饱和的原因不外两个：一是由于蒸发,增加了大气中的水汽；另一是由于空气自身的冷却.对于雾来说冷却更重要.当空气中有凝结核时,饱和空气如继续有水汽增加或继续冶却,便会发生凝结.凝结的水滴如使水平能见度降低到1千米以内时,雾就形成了.
另外,过大的风速和强烈的扰动不利于雾的生成.
因此,凡是在有利于空气低层冷却的地区,如果水汽充分,风力微和,大气层结稳定,并有大量的凝结核存在,便最容易生成雾.一般在工业区和城市中心形成雾的机会更多,因为那里有丰富的凝结核存在.
（五）露的形成
在温暖季节的清晨,人们在路边的草,树叶及农作物上经常可以看到的露珠,露也不是从天空中降下来的.露的形成原因和过程与霜一样,只不过它形成时的温度在0°C以上罢了.
在0°C以上,空气因冷却而达到水汽饱和时的温度叫做"露点温度".在温暖季节里,夜间地面物体强烈辐射冷却的时候,与物体表面相接触的空气温度下降,在它降到"露点"以后就有多余的水汽析出.因为这时温度在0°C以上,这些多余的水汽就凝结成水滴附着在地面物体上,这就是露.
露和霜一样,也大都出现于天气晴朗、无风或微风的夜晚.同时,容易有露形成的物体,也往往是表面积相对地大的、表面粗糙的、导热性不良的物体.有时,在上半夜形成了露,下半夜温度继续降低,使物体上的露珠冻结起来,这叫做冻露.有人把它归入霜的一类,但是它的形成过程是与霜不同的.
露一般在夜间形成,日出以后,温度升高,露就蒸发消失了.
在农作物生长的季节里,常有露出现.它对农业生产是有益的.在我国北方的夏季,蒸发很快,遇到缺雨干旱时,农作物的叶子有时白天被晒得卷缩发干,但是夜间有露,叶子就又恢复了原状.人们常把"雨露"并称,就是这个道理.
(六）霜的形成
在夜间,地面上的草、木、石块等物体由于向外辐射热量,它们的温度要降低,当温度降至露点时,地面物体附近空气中的水蒸气便达到饱和.若露点高于0摄氏度,水蒸气可在地面物体的表面上凝结成小水滴,这就是露.
若露点低于0摄氏度,水蒸气则要在地面物体的表面上直接凝结成水冰粒,这即是霜.
如果在夜间不仅地面上物体的温度降到了露点以下,而且地面以上稍远处的空气温度也降到了露点,那么空气中的水蒸气将以尘埃为核心凝结成细小的水滴,这便是雾.
当高空中空气的温度降到露点以下,若露点高于0度,空气中的水蒸气在尘埃上凝结成细小的水滴便是云,而凝结成较大的水滴即是雨.若露点低于0度,则空气中的水蒸气将在尘埃上直接凝结成雪.
由此可知,露、霜和雾都不是从天而降的,而是地面附近空气中的水蒸气达到饱和时直接凝结而成的.只有雪和雨才是从天而降的,即是高空中空气里的水蒸气达到饱和时凝结而成.
（七）冰雹的形成
冰雹和雨、雪一样都是从云里掉下来的.不过下冰雹的云是一种发展十分强盛的积雨云,而且只有发展特别旺盛的积雨云才可能降冰雹.
积雨云和各种云一样都是由地面附近空气上升凝结形成的.空气从地面上升,在上升过程中气压降低,体积膨胀,如果上升空气与周围没有热量交换,由于膨胀消耗能量,空气温度就要降低,这种温度变化称为绝热冷却.根据计算,在大气中空气每上升100米,因绝热变化会使温度降低1度左右.我们知道在-定温度下,空气中容纳水汽有一个限度,达到这个限度就称为“饱和”,温度降低后,空气中可能容纳的水汽量就要降低.因此,原来没有饱和的空气在上升运动中由于绝热冷却可能达到饱和,空气达到饱和之后过剩的水汽便附着在飘浮于空中的凝结核上,形成水滴.当温度低于摄氏零度时,过剩的水汽便会凝华成细小的冰晶.这些水滴和冰晶聚集在一起,飘浮于空中便成了云.
大气中有各种不同形式的空气运动,形成了不同形态的云.因对流运动而形成的云有淡积云、浓积云和积雨云等.人们把它们统称为积状云.它们都是一块块孤立向上发展的云块,因为在对流运动中有上升运动和下沉运动,往往在上升气流区形成了云块,而在下沉气流区就成了云的间隙,有时可见蓝天.
积状云因对流强弱不同出一辙形成各种不同云状,它们的云体大小悬殊很大.如果云内对流运动很弱,上升气流达不到凝结高度,就不会形成云,只有干对流.如果对流较强,可以发展形成浓积云,浓积云的顶部像椰菜,由许多轮廓清晰的凸起云泡构成,云厚可以达4-5公里.如果对流运动很猛烈,就可以形成积雨云,云底黑沉沉,云顶发展很高,可达10公里左右,云顶边缘变得模糊起来,云顶还常扩展开来,形成砧状.一般积雨云可能产生雷阵雨,而只有发展特别强盛的积雨云,云体十分高大,云中有强烈的上升气体,云内有充沛的水分,才会产生冰雹,这种云通常也称为冰雹云.
冰雹云是由水滴、冰晶和雪花组成的.一般为三层：最下面一层温度在0℃以上,由水滴组成；中间温度为0℃至-20℃,由过冷却水滴、冰晶和雪花组成；最上面一层温度在-20℃以下,基本上由冰晶和雪花组成.
在冰雹云中气流是很强盛的,通常在云的前进方向,有一股十分强大的上升气流从云底进入又从云的上部流出.还有一股下沉气流从云后方中层流入,从云底流出.这里也就是通常出现冰雹的降水区.这两股有组织上升与下沉气流与环境气流连通,所以一般强雹云中气流结构比较持续.强烈的上升气流不仅给雹云输送了充分的水汽,并且支撑冰雹粒子停留在云中,使它长到相当大才降落下来.
在冰雹云中冰雹又是怎样长成的呢?在冰雹云中强烈的上升气流携带着许多大大小小的水滴和冰晶运动着,其中有一些水滴和冰晶并合冻结成较大的冰粒,这些粒子和过冷水滴被上升气流输送到含水量累积区,就可以成为冰雹核心,这些冰雹初始生长的核心在含水量累积区有着良好生长条件.雹核A在上升气流携带下进入生长区后,在水量多、温度不太低的区域与过冷水滴碰并,长成一层透明的冰层,再向上进入水量较少的低温区,这里主要由冰晶、雪花和少量过冷水滴组成,雹核与它们粘并冻结就形成一个不透明的冰层.这时冰雹已长大,而那里的上升气流较弱,当它支托不住增长大了的冰雹时,冰雹便在上升气流里下落,在下落中不断地并合冰晶、雪花和水滴而继续生长,当它落到较高温度区时,碰并上去的过冷水滴便形成一个透明的冰层.这时如果落到另一股更强的上升气流区,那么冰雹又将再次上升,重复上述的生长过程.这样冰雹就一层透明一层不透明地增长；由于各次生长的时间、含水量和其它条件的差异,所以各层厚薄及其它特点也各有不同.最后,当上升气流支撑不住冰雹时,它就从云中落下来,成为我们所看到的冰雹了.
为什么“雹打一条线”
冰雹主要发生在夏秋季节,尤以春夏之交为多.但一次降雹的时间都不长,多数为几分钟到十几分钟,最长可大1--2小时.特别是降雹的范围,一般都不大,平均长度在30公里以下,宽度在几公里以内,形成一个降雹带因此,常有“雹打一条线”之说.

为什么会有“雹打一条线”呢?这要从冰雹的形成条件谈起.冰雹是在发展相当强烈的积雨云中形成的,有冰雹胚胎和云中的小冰晶、雪花、过冷却水滴反复粘合、碰并的结果.因此,云中必须有强烈的上升气流,丰富的含水量和足够的低温.在中纬度地区的山区,由于地面受热不均匀和地形的抬升作用,常使大气处在不稳定的状态,所以容易形成冰雹.当冰雹云在山谷和河面上经过时,由于河面上的气温比两岸的气温低,山谷中的气温比山坡上的气温低,这样,河面上和山谷中的上升气流较弱,支托不住下落的冰雹,故冰雹多沿山谷和河流下落.有时冰雹也沿冷暖空气交汇的锋面降落.因为山谷、河流都是狭长的地带,因此有“雹打一条线”的说法.