其实,云也是有重量的,以常见的云为例,每立方米的积雨云重量大约是0.5g,而我们能够看到的一个中型规模的云,可能大约有10亿立方米,重量约为500吨,这么重的云,为什么不会从天上掉下来呢?
其实,不是它不会掉下来,而是它在滴落的过程中又被蒸发掉了。
具体原因,我们详细说一下。
云的形成
云的形成,和地球上的水循环有关。我们知道,地球上海洋以及河流湖泊的水分蒸发之后,会凝结成云,之后会形成雨,在地球引力的作用下,重新落到地面上。
我们虽然知道云是由水蒸气组成的,但是水蒸气是如何蒸发到天空的呢?其实这个问题,用阿伏伽德罗定律可以得出答案:
在相同温度以及压强下,相同体积的任意气体都含有相同数量的分子,因此该定律又被称之为四同定律。
我们知道,地球大气的成分,主要是由氮气和氧气组成。
其中,氮气(N2)是两个氮原子组成氮分子,氧气(02)是两个氧原子组成氧分子;而水蒸气的化学表达式为:H2O,是由2个氢原子核1个氧原子组成。我们知道,氢原子和氧原子在化学元素周期表中比较靠前。
因此同等条件下,水蒸气比氮气和氧气都要轻,所以水蒸气在空气之中会上升(如果觉得难以理解,可以想象一下氢气球,氢气球之所以能够漂浮在天空中,就是因为氢气球比空气成分要小,因此可以上升)。
当江河湖海蒸腾出的水蒸气越来越多时,这些水蒸气会带着地表的温度,也就是热量一起上升;而水蒸气在不断升高的过程中,气压也会逐渐降低,因此这些水蒸气体积会逐渐膨胀。
这一点,其实和水里面的水泡相同,鱼刚吐出来的泡泡会比较小,但在上升的过程中会逐渐变大,原因是在液体中深度越深,压强越大;而深度越浅,压强越小,气泡在上升的过程中,受到液体的压强会越来越小,因此气泡内的气体压强也会变小,所以体积会膨胀变大。
空气中的水分子就相当于鱼类吐的泡泡。
在膨胀的过程中,会导致周围空气温度下降,而降温会导致空气不能容纳更多的水蒸气,因此一部分水蒸气会析出,但是此时并不会形成云,这是因为单个的水蒸气很难与其他水蒸气相互凝结,即使偶然凝结在一起,也会很快分开。
好在,空气中除了水蒸气,还有一些尘埃微粒,这些微粒可以充当凝结核,让周围水分子围绕着凝结核凝聚。人工降雨其实向天空中抛洒的就是尘埃微粒,让空气中的水蒸气凝结在尘埃微粒周围,形成雨水。
研究表明,大概100万个水蒸气凝结在一起,才会形成1滴水。
在凝结核的帮助下,水蒸气不断汇聚成小冰晶或者小水珠,从而形成云,可以被我们观测到。由于水汽析出需要特定的温度和气压,因此这些云会维持在一定的高度。
云为什么不会掉落下来?
了解了云的形成之后,我们再来分析一下云为什么不会掉下来。
在物理学上,有一个速度叫做终端速度,意思是说:
任一颗粒的沉降不因流体中存在其他颗粒而受到干扰时,在等速阶段里颗粒相对于流体的运动速度。
看不明白也没关系,你只需要知道,终端速度和物体的质量以及展开面积有关。比如:一块砖头下落的速度,和同等体积的棉花终端速度不一样的原因是,砖头更重;而同等体积的棉花更轻,因此棉花的终端速度比较小。但如果一块砖头绑上了降落伞,而棉花没有,那么很有可能
砖头的终端速度更小。
云层里的小水珠其实也有终端速度,但由于小水珠的质量过于轻,因此它的终端速度非常非常慢,每秒的坠落速度可能只有几毫米。
再加上小水珠在坠落的过程中,会带动空气流动,而空气流动会加速水分蒸发,因此小水珠还未掉落到地面,就被蒸发了,因此,云就不会掉下来了。
雨之所以能够掉下来,是因为雨水的重量较重,终端速度比小水珠要快得多,蒸发速度没有降落速度快,雨水还未蒸发完,便已经掉落在地上了。以上这些就是云为什么不会掉落下来的原因。