【耶魯大學】公開課《大氣、海洋和環境變化》 P9 - 10. 【第10集】大氣中的水II、雲

好吧 今天我們將花一整天時間 談論雲層 我們上次已經開始了 所以我會做一點點複習 現在一切都是簡報 這可能會有點沉悶 所以我希望你們在我們進行時能大聲提出問題 這份教材 所以請記住 今天主題 我們上次已經開 始討論 是雲及其他大氣中的凝結水現象所以今天我們談的都是大氣中的水 談到它是一個水星 但不 僅僅在海洋中 也在大氣中 包括水蒸氣 這看不見 還有當水形成雲時的雲層 水蒸氣會凝結 我們已經討論過這些定義 我不會重複 除非有人有問題 這些定義有問題嗎 你已經有幾天時間來審視那些文件了 問題 是的 它已經在那裡了 我今天早上大概一個小時前上傳的 對 它已經在那裡了 一份PDF格式的 對這些定義有什麼問題嗎 這些真的很重要 你若不了解這六種數量 就無法脫身 還有這些 但是在我們接下來講解課程時 我會更詳細地談論這個問題 這些確實是重要的術語 我上次 沒有展示這個 但我不該這麼做 這是一張水的飽和水蒸氣壓的圖表 它只是水蒸氣壓 但應該說明 為溫度的函數的飽和水蒸氣壓 飽和水蒸氣壓被 定義為 簡單來說 有兩種等效的定義 我 都很喜歡 它是與凝聚相處於 平衡狀態的水蒸氣的部分壓力 換句話說 如果你有一個裝 有某種液體（例如水）的腔體 在某一溫度下 過一會兒 表面就會蒸發出足夠的水分 而且虛空將會被水蒸氣填滿 如果你等足夠長的時間 該腔室中水蒸氣的局部壓力將會達到由 所給出的數值 這條曲線會根據系統的溫度而有所不同 因此溫度越高 越多的水會蒸發 成水蒸氣 水蒸氣的分壓也越高 你會在密室中感受到的壓力現在 這有一件有趣的事 實際上 不管密室上方是否有空氣 這都沒有關係 因為這個是 水的性質 而非空氣的性質 我經常會錯誤地說 例如 空氣是 飽和的 這並不完全正確 因為是水蒸氣 我們談論的是 現在 有趣的是這水被混合進空氣中 但空氣並沒有真正控制這個過程 這是水本身的特性 在某個溫度下 無論那裡是 否有空氣 液體上方的水蒸氣 分壓都是一樣的 當然 如果 那裡有空氣 總壓力就會不同 如果氣壓較高 但水蒸氣的部分 壓力在這裡會是 相同的數值 是的 好吧 蒸氣壓就是你所擁有的 這取決於你擁有多少水 蒸氣及其溫 度 但飽和是 指當有凝聚相存在且達 到平衡時 該數值的大小 或者換句話說 飽和蒸氣壓是在 凝結開始前所能達到的最大壓力 換句話說 在某個溫度 例如20 攝氏度時 如果我有1毫巴的蒸氣壓 那低於飽和曲線 所以 什麼都不會凝結 然而 我可以將空氣帶到飽和狀態 我剛才又說了一遍 我可以透過某種方式向該腔室添加水蒸氣 或者通過冷卻來使水蒸氣達到飽和 無論如何 我都可以接近 飽和曲線 當我到達那裡時 無論是那裡還是那裡 都沒有關係 濕度 相對濕度 濕度將會是100% 如果我試圖使用任 何一種機制來超越 多餘的水蒸氣將會凝結成液態或冰 這裡的相對濕度低於100% 當你將其推至飽和狀態時 無論你如何操作 不管是加水還是冷卻 並超過這個點 那麼你就能得到凝結的水 所以這是其中的重點 我上次已經提過這個了 所以 要接近飽和狀態 你可以增加 濕度 這會讓你往圖表上方移動 或者你可以降低 溫度 溫度在大氣系統中可能降低 的兩種常見方式是：一種是透 過移除熱量來冷卻空氣 將這 小塊空氣置於冰冷的物體旁邊 熱量透過導熱被移除 這 導致了我們所稱的輻射霧我會給你們一些例子 還有平流霧 或者你可以透過絕熱膨脹來冷卻那團空氣 這意味著將它抬高 你不需要把它接觸到冷的表面 只要把它提起 它就會因為壓力降低 而膨脹 並透過對 環境做功來自行冷卻 那會降低溫度 再次使你接近飽和 如果你超過了 就會形成雲 所以這就是達到飽和的三種方式 今天我會給你很多這樣的例子 如果你有問題請隨時打斷我我們上次已經做過這些幾個 海霧是當你有溫暖的水時出現的現象 表面和冷空氣 你將溫暖表面的水蒸發到空氣中 但是 空氣無法承載那麼多水蒸氣 所以你開始 過多的水分形成微小的液滴 這就是蒸氣中超 過飽和值的部分 這就是我們上次談到的航跡雲 你在燃燒氫碳燃料 燃燒的副產品是二氧化碳和水蒸氣 所以你已經將水蒸氣加入空氣中 你已經使其超過飽和狀態 過多的水蒸氣會凝結成微小的水滴 請記住 水蒸氣本身是看不見的 這裡到處都有水蒸氣 你只看得見凝結的微粒 不論是液態還是固態 機尾雲 我們談過這個 我想我們談過 核電廠有冷卻塔用來排 除渦輪機後側產生的熱量 他們所做的只是蒸發大量水分 將其釋放到大氣中 但 一旦那種濕潤空氣來到較冷 的環境中 就會開始凝結成雨 大氣中的水蒸氣因 為你加入了水蒸氣而 無法被保持 過量的部分會凝結成水滴 當你在寒冷的冬日呼氣時 你正在做完全相同的事情現在 輻射霧就是我們將要這樣做的一個例子 讓空氣冷卻 最終產生霧氣 而達到這個效果的方式通常是選擇一個晴朗的夜晚 沒有雲層覆蓋 因此紅外線輻射來自於* 地球表面可以很容易地散熱 可能有一半左右的熱量散失 到太空 這會使地球表面降溫 一夜之間氣溫下降數度 與地面直接接觸的空氣 地球表面隨後將通過導熱 將熱量傳遞到寒冷的表面 當你失去熱量時 你會降低飽和水蒸氣壓 你不一定改變空氣中的水蒸氣量 但你會改變空氣中能容納的水蒸氣量 氣體狀態 因此 首先在接觸冷 卻表面的空氣中形成霧 這稱為輻射霧 「輻射」這個詞源於 系統散失熱量的方式 但從 熱力學角度來看 這與我 們已經討論過的情況類似 這在山谷中尤其常見 因為在稍微起伏的 地形中 因接觸地表 而降溫的空氣會傾向於 雨水沿著坡地流下並聚集在山谷中 因此在平坦地形上也可能形成輻射霧 我曾經多次見過這種情況 但在稍微起伏的地形上 我見得更加頻繁 在冷空氣流進山谷的地方 那裡 的霧最濃最厚 但這仍然是輻射霧 注意上方的晴朗天空 這通常是出現強 烈輻射霧的時候 因 為夜晚沒有雲層覆蓋 對流霧則有些不同 那裡的地面原本就很冷 然後風將濕潤的空氣吹過該地面 一旦將暖空氣移動到表面 它會再次透過傳導散失熱量 飽和水蒸氣壓下降 相對 濕度超過100% 於是形成霧 因此這裡的差異在於你如何產生冷卻效果 不是透過輻射 而是透過將溫 暖潮濕的空氣移動到較冷的表面 這在世界海洋的某些地 區相當常見 那裡你會遇 到一股寒流 例如 沿著加州流下來的加州洋流 加州海岸是一股寒流 當暖空 氣團經過這裡時 無論是來自 太平洋更西方的地區 還是來自陸地的 都會突然發生變化 這股空氣將會向下方的冷水散失熱量 請記住 這不是海霧 海霧的情況正好相反 這是冷水 暖空氣 記得 海霧正好與此相反 這裡 你並不是從海洋中獲得水氣 你正在向海洋散失熱量 並導致霧氣以這種方式形成 這是另一個平流的範例 沿海地區有霧例如 在這裡以北 緬因灣一帶 以及更 北邊的新斯科細亞周圍 這種情況相當常見 拉布拉多洋流南下 寒冷的拉布拉多洋流 非常常見 事實上 你可能會遇到平流霧 兩-thirds 的時間 由於這種效應 你可能會在那股寒冷 的流動的拉布拉多洋流上出現平流霧 不論風從哪個方向吹來 都是如此 那裡可能比拉布拉多洋流溫暖一些 所以會向它散發熱量 並 形成霧氣 那是一個非常容易起霧的地區 那裡有寒冷的洋流 海洋洋流 有什麼問題嗎 也許你已經看過這個 接下來我們要談談雲 這是我們講座的主要主題 雲是由上升的空氣形成的 而熱力學 機制是空氣上升時的絕熱冷卻 隨著氣溫下降 飽和 水蒸氣壓也會降低 當濕度達到100%時 甚至可能進一步上升 如果試圖超越 過量的 水蒸氣會立即凝結形成雲因此 我們將會觀察幾種雲的類型 但是 在所有情況下 熱力學都是相同的 所以這是我們的朋友 積雲 其底部平坦 頂部呈花椰菜狀的湍流 而且可能 最常見的雲類型 我有一段延時攝影影片 幾個月前我們小組在加勒比海進行 了一個專案 研究雲層和降雨的情況 我們的星球熱帶帶產生的 我們駕駛飛機穿越雲層等等 如果我能讓這個運作起來 我將向你展示一些 多米尼克島上積雲的延 時攝影 太陽剛剛升起 那道黑色的光是 太陽從東邊升起 而且你開始看到積雲在這裡形成 涌動上來 幾乎像在沸騰一樣 但這是來自陸地的熱氣上升 但當空氣 當它上升時 會逐漸冷卻 濕度超過100%並形成雲層 但隨後空氣上升進入雲 層並擴散開來 然後下降 所以也許你能看到它 但雲層也在消失 它們在上升氣流中產生的速度一樣快 它們也被下降氣流消除 因為這種絕熱冷卻和加 熱是一種可逆過程 你 上升時會冷卻 下降時 會加熱 因此會形成積雲 而且包裹只是穿過這些東西 上來時是多雲 下來時是 晴朗的空氣 時間是當地時間 位於上方的方框中 所以 現在是傍晚 在太陽下山前一陣子 當島嶼的 加熱作用減弱時 對流也跟著減弱 所以這是由太陽加熱島嶼所驅動的 溫暖的 空氣上升 但當上升過程中 水蒸氣變成 了飽和狀態 凝結並形成了雲 對這段短影片有什麼問題嗎 當你親自觀察積雲時 通常會 看到一個固定的模式 你可能 已經注意到 實際上它仍然在那 裡那個延時攝影的加速比例 攝影速度是720 這是一個很大的加速比例 所以這部延時攝影電影中的事情 發生的速度比自然狀態快700倍 但這讓它變得美妙 因為你可以 看到過程正在發生 你親自觀察時 會看到一個靜止的雲朵圖案 如果你試著觀察它 有時你可以 看到這些變化 但這很困難 因為它們根據 人類的時間尺度來說太慢了 你必須將大量注意力集中於此 雲端可以讓我們觀察它在一個 小時或兩小時內的演變和變化 而使用延時攝影 我們則是在它發生之前就看到全部 發生了 我們可以輕易理解它 我想給你幾個我們在這個 專案中所做的其 他例子這裡例如 是一段飛越幾個積雲的短暫飛行 飛機上配備了各種精巧的儀器 但是讓我來告訴你這裡顯示的是什麼 這是 以公里為單位的水平距離 因此飛機飛行了大約30公里 穿過了兩到四種 不同的雲層 或許是一、 二、三、四種 大概如此 藍色所顯示的 LWC 是液態水濃度 在那些雲滴中 以單位 計算總共有多少液態水 每立方米空氣中含有多少克的水 液態水 我們飛機上裝有可以測量此項的儀器 這一點 當溫度為零時 當然你不會處於雲層中 雲是由其液態水含量來定義的 如果沒有液態水 你就不在雲層 中因此我們進入了那片雲層 我們測得每立方米有1到2克的 液態水 然後我們短暫地離開雲層 進入另一片雲層 進出 最後離開 這裡是垂 直運動 空氣上下移動 所以雲層外的垂直運動不多 但雲層內卻很嘈雜 氣流不穩定 但大 部分運動都是向上的 有一些小的下擊暴流 但總體來說 雲內部的大部分空氣都是向 上移動的 正如我所主張的 它 必須如此 因為是絕熱冷卻的關係 負責雲端 這裡是水氣混合比 我們稱之為比濕度 其單位為每千克空氣中所含水蒸氣的克數 表示有多少水被混合到空氣中 外面溫度是11度 雲內溫度約為13度 我們還有一些儀器可以測量 雲滴的直徑 它們的大小約在16到28微米之間 一微米是一公尺的百萬分之一 這些水滴非常小 小到極點 這是一個典型的雲滴 它們小到幾乎不會掉下來 它們只是隨著空氣移動 它們如此微小 以至于 重力加速度也微乎其微 相當小 而且它們大多只是跟著氣流移動 但是你可以在穿越雲層時測量它們 這能讓你有所了解 接下來是我們同樣實驗的另一張圖表 我們發現 在某些條件下 某些雲層的雲滴直徑會較大 在其他情況下則較小 這是 找到特定雲滴 直徑的機率密度 在一次研究飛行任務 研究飛行13號中 我們發現了直徑約為20到25微米的雲滴 另一天 大概10到15天 這與當時是否會發生有著很大關係 無論是否有雨 為了產生雨水 讓我提醒 你一件事 雨滴的體 積約是雲滴的100倍 一百倍 直徑的比例約為一百倍 要形成一滴雨 你 必須聚集大量雲滴 你認為有多少呢 你要聚集多少水滴才能形成一滴雨水呢 我以為你要說的是這個記住 我說過直徑的比例是100比1 但我們實際上談的是體積 要構造一滴雨 你必 須聚集一滴雨的體積那麼 你需要多少個百倍小的水滴呢 讓我們聚集起來形成一滴雨水的體積 一百的立方 也就是十的六次方 或者一百萬 你必須將一百萬個這樣的東西聚集起來才能形成一個 雨滴 請記住 因為氣象學中最長的 問題之一可以追溯到古希臘時代 那就是為何大多數雲層不會 下雨 但還是有少數會下雨 在某些情況下 有一種機制 可以將一百萬個雲滴聚集形 成一滴雨水 但這在一定程度上取決於雲滴的狀態如何 他們原本就很大 我們發現在這種情況下 每個 案例之間的雲滴大小存在差異 再說一次 這裡的單位是微米 這些是小的雲滴 這些是雲中的水滴 它們懸 浮在天空中 有任何問題嗎 現在 我們來看看其他類型的雲 我不會一一詳細說明 這是一種被稱為高層雲的雲類型 在科 學文獻中 它被稱為高層雲 意指中層雲 雲層位於大氣層約一半的高度 積 雲則因為其內部具有一些湍流結構 這種具有條紋 特性的高積 雲被俗稱為「馬鈴薯天空」 而且你在海事文獻中經 常會看到這個詞語 例如 但你也會在其他類型的海事文獻中經常看到 現在 你已經知道這裡發生了什麼嗯 你並不是什麼都清楚 但你知 道那裡空氣在上升 那裡空氣在下沉 升起為你帶來雲朵 沉 降為你帶來晴朗的空氣你不一定知道那特定的 升降模式是什麼造成的 我想這多少與風切變有關 或許也與頂部 因輻射而冷卻有關 但這次我不是很確定 但是我知道那是一種常被 稱為「馬鰺天」的高層積雲 「鯖魚」這個詞是從哪裡 來的你可能會這樣問吧 嗯 那些給那片雲起了一個口語名字的漁夫 當時正在捕 撈大西洋鯖魚 而魚背上的那 個圖案讓他們想起了那個圖案 因此它不是學名 而是這 種雲層模式的常見口語名稱 這是一種高層冰雲 那是什麼意思呢「巻」指的是高層的冰雲 「層」指的是沒有結構 相當均勻的 水平雲層 所以你看到一些明暗的圖案 但這通常是一層 連續的雲 這層雲有點薄 讓你想到它可能是冰 而且如果是冰 那肯定很高 它肯定位於對流層的上部 這裡有一種正在開始垂直發 展的積雲 當水蒸氣凝結時 會釋放出足夠的潛熱 這熱 量讓雲層中的空氣保持上升 溫暖足夠所以不僅僅是停止 給你一陣好 天氣的積雲 然後空氣再次下降 而是持續上升 我不認為它已經到達對流層頂 所 以我會這樣說 而且底部並沒有下雨 將稱之為積雨雲 一種正在生長的積雲 但是現在有一個正在從底部下起雨來 你看到這裡了 我還沒有看到好的鐵砧 但因為正在下雨 而 積雨雲代表下雨 所以我肯定會稱它為積雨雲 這是一種正在下雨的積雲 通常這些雲層都很深厚 它 們的底部從1公里開始 可 以上升到8、10、12公里 頂部有數公里的深度 這是一層貫穿整個對流層的深雲 從底部到頂部 因此請記得 我們曾討論過並 定義穩定的大氣層為一種上升 的氣塊會變得比周圍環境更 冷、更重 並想要回落的大氣層 在這種乾燥的空氣環境中 這或許會發生 但當進入雲層內部 這 團空氣還有另一個熱源 當水蒸氣上升時會凝結 將熱量傳給 空氣團 使其變暖 這讓它能繼續上升 因此我們會稱這種大氣 為潮濕而不穩定的大氣 由於額外的潛熱 氣塊能夠上升並形成雲層 熱量被釋放出來 對吧 完全正確 這裡又出現了一種積雨雲 現在 它的底部被其他雲層遮蔽 所以 我稱它為雨雲有點冒險 因為我 看不到雨從底部落下 但我能看到積雨雲的雲頂 那團空氣已經上升 撞擊到穩定的平流層 並且 它稍微展開成鐵匠砧板的形狀 所以我們稱之為砧板 通常 等到它完成時 底部就會開始下雨因此我要冒險說這 個也是積雨雲 這裡可能有液態水 頂部可能有一些冰 有時 在鐵砧之下 會出現一種相當 著名且有趣的雲層結構 稱為乳狀雲 被帶到對流層頂並 擴散開的空氣 因 為無法再上升 然後開始以塊狀下降 當燈光正確時 就像這裡這樣 當太陽在天空中低 垂並從側面照亮這些物體時 它們會顯得相當戲劇性 雲層中平滑且向下垂落的 雲塊從積雨雲的底部出現 這被稱為乳狀雲 其成 因 我想是顯而易見的 我最喜歡的雲是透鏡雲 當空氣被強迫上升過山脈時 它會 暫時被抬升 然後在山的另一側下沉 當它被抬升時 可能 會達到飽和點 雲層 將會形成 但隨後 當空氣沿背風面下降時 山巒萬象盡皆顛倒 多餘的水分將蒸發 你 將重見湛藍天空 所以我們在此只看到一半 但這是從內華達山脈東 側某處向西北觀察的情況因此 空氣在此處上升 形成了那片雲 我們看不到它另一面的樣子 有趣的是 儘管空氣持續流過 那片雲卻大致保持不變 因此雲層固定不動 但新 的空氣過程不斷進入並離開 進入並離開 而雲層大致上仍停留在相同的地方 你可能會看到它稍微動一下 但通 常它還是會待在那裡 令人驚訝的是 這裡有一個富士山上的透鏡雲 有時甚至很難判 斷空氣是往哪邊吹 我認為這裡的空氣是從左往右吹的 它正在上升 雲正在形成 然後當空氣下降時 這些凝結的水 又會蒸發 而這團空氣又回復成乾淨的空氣 水蒸氣 只有 沒有凝結的水 這些以多種不同的配置出現 我喜歡這個 這被稱為盤子狀的透鏡 那麼現在為何看起來是這樣呢 有一座山脈 空氣在上面上升然後下沉 為什麼會有這樣的結構我思考了多年 我只能想到一個可能的解釋 這地區上風處的水蒸 氣有些分層 有濕層、 乾層、濕層、乾 層、濕層、乾層、濕層、乾層 然後當整個結構被移除後 潮濕的層次便達到飽和狀態 乾燥的層 雖然提升 的量大致相同 卻沒有 因此濕層形成了雲 乾 層形成了交錯的乾燥空氣 當空氣沿背風面下降時 所有凝結的 水會再次蒸發 這些事物有時幾乎與你 看到的山脈連接在一起 但有時卻距離很遠 甚至偏離了原來的位置 山嶽地區的現象 經常被誤認為不明飛行物 即 UFO 事實上 過去在 該地區的大量UFO報告中 過去一百年的事件最終都可 以用透鏡雲來解釋 因此 對 不明飛行物保持懷疑態度 我 會首先尋找一個新現象的解釋 觀察是否位於山區 查看大氣條件是否適 合形成這種局部平滑抬升 大致靜止不動 雲層形成的方式 現在 這涵蓋了大部分的雲層 但我希望你的背 景能比這更廣泛一些 所 以我想談談漩渦一段時間 哦 問題 是的 好吧 如果空氣本來就太乾燥 而你只把 它抬升幾百米 那就 不會達到飽和 不夠的 它必須足夠潮濕 至少在那些層中 而 且山必須高到足以將其提升到飽和狀態 如果你不把它帶到飽和狀態 你就不會看到雲層形成 有其他東西在這些雲上嗎 所以漩渦 現在 強烈的漩渦 不管它是如何形成的 中心都有低壓 如果你不相信 拿一個水桶 用手伸進去 快速攪動 你會發現 中間的水面會形成漩渦 中間會往下沉 你也可以在午餐時用一杯水來做 只要讓它旋轉起來 你就會看到中間處 水位下降了 從靜水壓力來看 這表 示漩渦中間的壓力較低 這必須如此 才能讓離心力發揮作用 平衡於壓力梯度力 但這不是我們的主要重點 所以如果你接受在這裡有低壓的這個事實 那麼 在渦旋的中心 如果你拿一 個含有一定水分的空氣塊 並 以某種方式將它移動到該渦 旋的中心 它的壓力就會下降 當你釋放空氣的壓力時 會發生什麼情況呢 它擴張並透過絕熱膨脹而冷卻 所以直到此刻 我一直在談論絕熱過程 擴張 彷彿你唯一能做的方 式就是將空氣輸送到低壓區 域但這裡還有另一種做法 只需從外部取一包空氣並放 入渦流中 就可以降低其壓力 你可以讓它絕熱膨脹 降低溫度 減少飽和度 整個故事仍在繼續 還是一樣 降低飽和水蒸氣壓 雲就能形成 因此 龍捲風的這一部分稱 為凝結漏斗 有時在龍捲風底 部附近會出現另一個漏斗 你 可以在這裡開始看到它的證據 那片黑暗區域被稱為碎 屑漏斗 那是被從表面 彈起的物質 正被往上帶動 我說的不是那個 我指的是這個實際上更加壯觀 的漏斗 那是只是雲 那是只是 水蒸氣凝結形成的雲滴 因為來 自這裡的空氣進入了那裡 並且 這裡的氣壓較低 這只是另一個絕熱膨脹的例子 導致雲層形成 在這種情況下 是龍捲風的凝結漏斗 有什麼問題嗎 我們會在課程後面再詳細討論龍捲風 現在 假裝你剛才沒有看過那個 當你第一次看到那張圖片時 你可能會說 嗯 他不是已經給我們看過了嗎 他今天早些時候給 我們看了飛機的尾跡 但仔細看看那架飛機以及渦流來自哪裡 我知道這些渦流 這些小雲線 它們並不是來自引擎 實際上 他們正過來 這情況下 他們正從翼 片的兩端過來 那個飛行員已經放下了起落架 他把襟翼放下以獲得額外的升力 而且他產生了微小的翼尖渦流 雖然 不是完全在翼尖 而是在襟翼的邊緣 那是尾流渦旋 內部有低壓 而低壓導致一些水蒸氣在 該尾流渦旋內部 凝結成雲滴 請務必區分清楚這與航跡雲的差異 是的 畢竟 飛機要飛起來 必須要有快速流 過機翼上方的空氣 這根據伯努利定律 讓你感受到底部的低壓和高壓 在那片翼的末端 因為你有高壓 和低壓 高壓空氣會捲繞過來並 形成一個從翼尖脫離的尾流渦旋 但請記住 就像龍捲風一樣 那裡 有旋轉的空氣存在 就表示一定會有 內部的壓力比外部低 好吧 同樣地 為了產生那 樣的壓力下降 濕度必須很高因此 我想說這樣的圖片相對來說比較罕見 因為 你可能需要高於95% 的濕度才會出現這種現象 另一種方式可以導致壓力突然下降 這發生在飛機以超音速飛行時 它以極快的速度穿越大氣層 比聲音的速度還要快 它在飛行時會在飛機周圍形成獨特 的流場 以及獨特的壓力異常通 常超音速飛機在穿過空氣時 會產生獨特的流場和壓力異常 空氣會產生高壓 當空氣再次回到飛機後方時 那裡的 壓力會變低 甚至 低於周圍環境的壓力 甚至比周圍環境的壓力還要低 我們將觀察這對空氣熱 力學產生的影響 進入 飛機後方低壓區域的空 氣會絕熱膨脹 如此類推 以及 一團雲將會形成 這就是我們之前談論過的程序 讓我們看看它看起來是什麼樣子 有多少人以前見過那種圖表 只有少數的你們 我對此感到好奇 部分是因為我是一名飛行員 但更多的是 為了那種美與奇蹟 你第一個想法可能是 嗯 那裡有什麼東西 而飛 機只是穿過它 像飛機裡 某種膜一樣 不 不是這樣 飛機以超音速飛行 大約每 小時1000英里 而這東西 也隨著飛機一起移動 精確地跟隨其後 緊密地與其相連 注意 還有一個 就在駕 駛艙後面有一個 那裡有 一個低氣壓區 還有飛機 後部更大的一個低氣壓區 而這裡的空氣團是未飽和的 已經進入這個 低壓區 情況也一樣 是絕熱膨脹 雲的形成 然後當你超越那個點後 壓力會再次上升 過程會逆轉 雲層也 會消失 後面有人提問 絕熱膨脹幾乎是同一回事 當發生絕熱膨脹時 就會產生絕熱冷卻 絕熱膨脹被定義為在不添加熱量 的情況下擴展空氣 絕熱一詞意指 不添加熱量 當你這樣做 也就是 在不添加熱量的情況下擴展空氣時 你透過它對環境所做的工作來冷卻它 換句話說 你降低了溫度 所以這些幾乎是同義詞 但一個會導致另一個 這樣有幫助嗎 然後再舉一個這樣的例子 我稱之為穿著芭蕾舞裙的戰鬥機圖片 這再次是隨著那架飛機移動的 現在這種情況不太常見 因為濕度可能 必須達到約95%、96%、97%的濃度 當飛機飛過時才會出現這種現象 所以不一定 你可能處於任何海 拔高度 但相對濕度 一開始必須很高 相對濕度 有問題嗎 霾與污染 我們稍微談過這一點如果空氣受到污染 而粒子具有親水性 也就是它們喜歡吸引水分 那麼即使空氣中 相對濕度低於100%時 它們可能會吸附一些水 分而變大 這被稱為霾 會降 低 visibility 視覺範圍 來看一下這張照片 這裡有一片附近的森林 那座稍遠一些的山上有片森林 還有一片森林 在更遠的山上 這應該是在緬因州 我其中一個暑假的時候 而且這三個表面幾乎完全相同 但這一個看起 來比那個更淺更藍 而 那個又比這一個更淺更藍 發生的情況是空氣中有霾 而陽光會被這層霾散射 到你的眼睛裡 因此 物 體離得越遠 霾就離得越遠 物件並不是看起來那麼暗 而是看起來較亮 因 為你加入了我所稱的路徑 輻射到你所看到的東西上 當然 隨著空氣越來越潮 濕 這些微粒會稍微長大一點 那座山可能會消失 那座山可能會看起來像那座山 因此 當然有時你需要這些粒子 但濕度也會起到作用 這取決於有多少水蒸氣凝結在這些霾粒子上 從太空看到的雲 這些是位於南美 洲中部、赤道以 南南美洲附近布卡亞利河上空的積雲 它們只是陣雨積雲 但它們是成排 形成的 那些在文獻中被稱為雲街 而且它只是陽光加熱 地面所形成的晴天積雲 但是如果風吹起來 積雲往往會排成一線 沿著排成一行的結構 或者我們用「街道」這個詞來 稱呼從這張圖片中 我知道風是朝那個方向吹的 要麼是那個方向 要麼是另一個方向 因為 積雲沿著風向排列 形成那種圖案 如 果我要猜的話 我 認為是從左上到右下 但是我知道在這種情況下它總是與風平行 有時從地面很難看到 因為你 你可能會看到那邊有一朵雲 那邊也有一朵雲 但要辨識出這個模式卻很困難 因為你離它太近了 在衛星上 你可以看到整個模式 這對這種大規模的雲 層模式來說確實如此這是北美洲 這裡有一個美麗的中緯度氣旋 氣旋中心在這裡 鋒面雲系 回到這裡 暖鋒 冷鋒 現在 如果你在任何地點 你看到的只是 雲層覆蓋或晴朗 但從足夠遠的地方 從太空中看去 你可以看到這是一個 美麗的 我們稱之為逗點雲的結構 因為它形狀像一個逗點 但這是一種被稱為中緯 度鋒面氣旋的美麗現象 我們會在課程後面 討論這些氣旋的結構 雷雨雲從太空看起來是這個樣子 它有一個鐵砧狀的雲頂 我們之前提過這個那是一種平坦的區域 也就是雲層撞上對流層頂的地方 而且無法再往上攀升 因此向四周擴散 這主要上升氣流通常就在這不規則的部分 主要上升氣流就在那裡 然後擴散並形成 一個巨大的雲砧 颶風的樣子是這樣的 這裡是颶風的眼 上升氣流 巨大的雲 anvils 向外螺旋擴散 晴朗的天空 一些零星的積雲 其他地方 但再次強調 你必須在衛 星上才能看到那種大型模式 我們差不多完成了 但我想 要提醒你 我們談論的是雲 我們談論的是液態和或固態 這是水的凝聚態 但可能是液態 和或固態 如果溫度高於攝氏零度 它永遠都會是液態 如果溫度低於攝氏零下40度 它就會 變成冰 但如果處於這個中間範圍 這 從零攝氏度到零下40度之間的中間範圍 它可能是液態 也可能是固態 如果是液態 我們稱之為過冷液體 因為它 它低於正常的冰點 有一個定義 對船隻和飛機來說非常危險 因為那冰會在接觸時結冰 例如 這是一架飛機的機翼 它飛過了一個含有過冷水 分的雲層 機翼接觸到這些 雲層微粒時 它們立即凍結了 並形成了這種醜陋且空氣動力學性能極差的形狀 使得 這架飛機非常難以飛行 許 多事故和人員傷亡也隨之發生 由此產生的這種問題 唯一要做的就是迅速脫離那個狀態 幫助它融化掉 或者使用一些特殊的 機械翼上將去除冰層的技術 無論是透過加熱 或是所 謂的橡膠製裝置 可以膨脹以實際物理方式將冰層敲除 冰塊 一隻靴子 在這種情況下 它被稱為靴子 當飛機上的雲層產生共鳴時 你會看到過 冷的雲滴經過飛機 並使其加熱 產生共鳴 那非常危險 因為這 會增加船體上部的重量 一旦在那部分添加太多重量 船就會然後 突然翻轉 所有人將會迷失 所以你真的必須讓水手們把那塊 冰運走 因為它有非常危險的重量 船頂當超冷卻 水這樣聚集時 這是一種你時常可以看到的情況 這是一層可能是高層積雲的液體 然後不知什麼原因 溫度低於冰點 可能是零下20攝氏度 不知什麼原因 在某個地區 那種液體自行結冰 形成 雪花紛紛落下 在雲層中留下一小片清晰 的空間 並從那片區 域飄出一縷飄落的雪花 請在接下來的冬天裡尋找 如果你仔細尋找 大概 會找到一兩起這樣的案例