水的狀態(tài)變化

1、水的狀態(tài)變化在介紹雲(yún)如何形成之前，首先說說水的三種物態(tài)，分別是液體(水)、固體(冰)和氣體(水蒸氣)。 水分在循環(huán)的過程中，當(dāng)水的狀態(tài)變化時，就會進行熱量的轉(zhuǎn)移，這種熱叫做潛熱(latent heat)。 例如從泳池中走出來後，如被風(fēng)吹到，會感到格外涼快，這就是因為身上水滴加快蒸發(fā)，因而吸收了潛熱的緣故。 各種潛熱的相互關(guān)係以下圖表示：圖一水的狀態(tài)變化的關(guān)係及每克所涉及的潛熱這種水的狀態(tài)變化涉及的熱量收支，在氣象上關(guān)係十分重要，絕不能忽視或輕估。 熱帶氣旋之所以具有如此威力，就是因為大量分水在凝結(jié)成雨水時，釋放出大量熱量 （請參看香港熱帶氣旋追擊站熱帶氣旋字典二類條件性不穩(wěn)定）。 地球上的水，

2、透過蒸發(fā)、凝結(jié)等過程，對地表溫度或大氣的運動等都扮演重要的角色， 所以任何氣象上涉及的物理過程，都要同時將可感熱和潛熱考慮在內(nèi)?？諝獾娘柡蜖顟B(tài)大氣容納水汽分子有一定的限度，假如到達了最大限度，蒸發(fā)面上水分子的進出便保持了平衡狀態(tài)， 此種狀態(tài)稱為飽和(saturation)。假如空氣中含水量很少，距離飽和水汽的限度還很遠， 那麼蒸發(fā)一定很快；反之亦然。飽和水汽含量與實際水汽含量的對比，以相對濕度(relative humidity) 計算。相對濕度越小，蒸發(fā)越快。相對濕度如果到達100%，空氣便達到飽和狀態(tài)，蒸發(fā)停止?？諝庵心苋菁{多少水汽，主要由溫度來決定，溫度越高，能容納的水汽限量越大， 所以

3、下午時相對濕度會下跌?？諝庵械乃竭_當(dāng)時溫度的最大限度，稱為飽和。 如果超過飽和，剩下的水汽又凝結(jié)成水滴或凝華成冰晶。氣溫達到飽和的溫度， 叫做露點溫度(dew point)。如果要令未飽和的空氣達到飽和，有兩種途徑： 增加空氣中的水汽，或者減低溫度。暖水面和上面較冷之間可以劃分為兩個氣層。緊靠水面的一層，我們稱它為貼水氣層， 厚度不過幾毫米至兩厘米，其中空氣近似不流動，它的溫度大致和水面溫度相同， 水汽含量十分豐富，雖然因為不斷向上擴散而始終達不到飽和，卻經(jīng)過接近飽和。圖二蒸發(fā)而使空氣達到飽和的條件從貼水氣層向上，有一較厚氣層，此層下部氣溫和貼水氣層差不多，但它上部的溫度卻和更高的冷空氣很

4、接近， 可見這層的空氣相當(dāng)不穩(wěn)定，產(chǎn)生上下翻騰的現(xiàn)象。此層底部接受貼水氣層中不斷擴散的水汽分子，變得較潮濕， 同時上下翻騰作用使它下部的水汽分配到這層的全部。由於這一層上部溫度較低， 下部又有從貼水氣層源源不絕的供應(yīng)水汽，所以該層水汽能達到飽和而產(chǎn)生凝結(jié)，雲(yún)就這樣形成了?？諝饫鋮s的方式另一種使空氣飽和的途徑，就是降低空氣容納水汽的限額，在大氣中，主要靠空氣的冷卻。 以下是三種空氣冷卻的方式：(1)輻射冷卻(radiational cooling)輻射是傳播熱量的一種方式，任何物體同時都會經(jīng)輻射接受熱量(吸熱)，和經(jīng)由輻射散失能量(散熱)， 凡吸熱超過散熱，溫度就升高。晚上時，空氣輻射熱量而冷卻

5、，溫度不斷降低，容納水汽的能力亦相應(yīng)降低， 如果空氣中水汽相當(dāng)豐富，就很容易達到飽和而發(fā)生凝結(jié)。露和霜就是這樣形成的。 輻射霧亦是因為輻射冷卻而形成的。(2)平流冷卻(advectional cooling)平流即是空氣的水平流動。當(dāng)暖空氣流過冷海面或地面時，它會把熱量傳給海面或地面，因此降低自己的溫度， 空氣容納水汽的能力亦跟著降低。如果暖空氣冷得快，便會達到過飽和而產(chǎn)生凝結(jié)， 平流霧就是因為平流冷卻而形成的。(3)絕熱冷卻(adiabatic cooling)大家都知道，從地面向上，氣壓迅速遞減，原因如下：(1)地面氣壓代表整個氣柱的重力，較高面的氣壓只代表上面氣柱的壓力(2)空氣具有壓縮

6、性，所以地面附近的空氣密度很大，向上遞減得很快由此可見，假設(shè)有一塊空氣基於某種原因而上升，由於周圍空氣壓力較低，它的體積勢必要膨脹。 為方便討論，我們假設(shè)氣塊在升降過程中，不會與外界發(fā)生能量的交換， 這種過程稱為絕熱過程(adiabatic process)。當(dāng)氣塊因外面壓力低而膨脹時， 此種抵抗外壓力，必須作功(work)而消耗能量。但既然外界沒有熱量供應(yīng)，自然只有減低自己的溫度了。 這就是絕熱冷卻的原理。根據(jù)計算，氣塊未飽和前，每上升一百米大概溫度會減低一度。 我們稱它為乾絕熱直減率(dry adiabatic lapse rate)。相反來說，氣塊下降時，周圍壓力升高， 所以氣溫亦會升高

7、，我們稱為絕熱增暖，即是每下降一百米氣溫會上升一度。圖三氣塊的溫度絕熱變化但如果空氣一經(jīng)飽和，只要再稍稍上升，絕熱冷卻使它達到過飽和狀態(tài)， 一部分水汽被凝結(jié)出來，釋放出潛熱，於是絕熱冷卻被抵消了一部分， 可見飽和氣塊上升的溫度遞減率比未飽和空氣為慢。平均來說，每上升一百米氣溫會降低0.6度， 我們稱之為濕絕熱直減率(wet adiabatic lapse rate)或飽和絕熱直減率(saturated adiabatic lapse rate)。凝結(jié)核的重要性即使空氣中的水汽達到過飽和，亦未必會發(fā)生凝結(jié)。實驗結(jié)果顯示， 在絕對潔淨(jìng)的空氣中，即使相對濕度達百分之300-400，仍不會發(fā)生凝結(jié)。

8、原來水汽分子相互合併的能力通常都很小，如果空氣非常潔淨(jìng)，便沒有東西能依附， 結(jié)果聚成微粒的水滴，會很易被蒸發(fā)掉。但水汽分子附在吸水性微粒上的能力比 水汽分子合併的能力強得多，所以水汽分子之後所形成的水滴很容易保持而變大。由此可見，隨了空氣要達到過飽和，凝結(jié)核(condensation nuclei)亦是水汽凝結(jié)的因素。不過，在大氣中， 海水的浪花、在空氣中失去水分而剩下的鹽分、從煙囪或汽車中冒出來的煙， 或者從地面散發(fā)出來的塵埃，都能作為凝結(jié)核，所以在對流層的任何空氣中，都有過多的凝結(jié)核。 至於在零度以下的高空，水汽會直接凝華成冰晶，這種作用所需要的核稱為凝華核。 在大氣中，土壤微粒、微細的冰

9、晶，或包著一層薄冰的微粒，都可作為凝華核。雲(yún)為何會浮在空中?水汽凝結(jié)成雲(yún)滴時，半徑只有約0.001-0.015毫米，由於和空氣發(fā)生摩擦，故降下的速度只有每秒1.26毫米左右。 如果從3000米的高空以這個速度降至地面，大約需要三天的時間。但雲(yún)中經(jīng)常有上升氣流， 故雲(yún)滴隨時都會被抬升?？v使部分雲(yún)滴能離開雲(yún)體下降，但在到達地面前，便早被蒸發(fā)掉， 所以我們從外面看，便不會發(fā)覺雲(yún)跌下來。種類直徑(mm)落下速度(cm/sec)雲(yún)粒0.021.240.057.720.0820毛毛雨0.2720.4162雨0.83271.24642.06492.87824.8907表一雲(yún)粒、雨粒的大小與落下速度的關(guān)係種雲(yún)

10、和造雨上面說過，水汽凝結(jié)成水滴要靠凝結(jié)核，水汽或水滴結(jié)成冰晶便要靠凝華核或結(jié)冰核，而降水質(zhì)點的成長， 則有賴於雲(yún)內(nèi)有某種不穩(wěn)定現(xiàn)象。以下我們將暖雲(yún)(整塊雲(yún)的溫度在0度以上)及冷雲(yún)(至少一部分在0度以下)分開說明。圖四播入碘化銀後，一塊積雲(yún)呈爆發(fā)性增長(1)暖雲(yún)當(dāng)水滴碰撞合併，較大水滴便會吞併較小水滴而長得更大，有助降水質(zhì)點的成長。 如果要令暖雲(yún)增長，便要在雲(yún)內(nèi)播入較大的吸水性凝結(jié)核或水滴，使雲(yún)內(nèi)小水滴長大，或彼此碰撞而變大。 例如在雲(yún)底播入較小水滴(半徑約0.03毫米)或吸水性顆粒，使水滴變大。水滴因碰撞而合併， 由上升氣流帶到上面，再度碰撞而變得更大，乃從雲(yún)中降落。印度曾進行吸水性核的種雲(yún)試

11、驗， 從地面向上射出氯化鈉(sodium chloride,NaCl)， 結(jié)果雨量較無種雲(yún)的地區(qū)多42%，可是此項試驗沒有作物理鑑定，故不能作出結(jié)論。(2)冷雲(yún)假如在一塊冰晶和水滴相混的雲(yún)內(nèi)，冰晶密集到相當(dāng)程度，水滴被消耗，水分附在冰粒上面， 接著產(chǎn)生結(jié)霜和凝聚作用，便有助降水質(zhì)點的成長。如果在冷雲(yún)內(nèi)播入人造結(jié)冰核(密度約每立方米一粒)，使雲(yún)內(nèi)的過冷水滴結(jié)冰， 便會產(chǎn)生降水。如果以較高密度的結(jié)冰核播入雲(yún)內(nèi)，使過冷水滴的密度大為減少，由於沉澱作用和結(jié)霜作用的緣故， 會制止冰粒長大，於是雲(yún)會消散，降水顆粒亦不會變大。1946年7月的卷雲(yún)計劃最早發(fā)現(xiàn)適用種入冷雲(yún)內(nèi)的物質(zhì)：當(dāng)一小粒乾冰(固體二氧化碳)落入冰櫃中的一塊過冷水滴雲(yún)內(nèi)時， 立刻產(chǎn)生無數(shù)小冰晶。乾冰並非作為結(jié)冰核，而是利用其低溫(-78度)在它的尾流(wake)內(nèi)形成無數(shù)冰晶。 由於乾冰能產(chǎn)生大量冰晶，所以最適合用於冷雲(yún)超播種(overseeding)，目的為使冰晶達到每立方米一粒的密度。 証明了乾冰能改造過冷雲(yún)後，人們開始尋找有類似冰的結(jié)晶構(gòu)造的人造冰核。 最後找到了碘化銀(silver iodide,AgI)。 現(xiàn)在已經(jīng)知道，除碘化銀外，還有多種人造冰核，包括化學(xué)物資(如碘化鉛及硫酸銅)和有機物質(zhì)，比碘化銀更適用作結(jié)冰核， 但目前仍以