地球上水的魔术幻化

秋雨(李冰)

地球上水的魔术幻化

秋雨

水时刻不停地运动着、变换着，一会儿是液态，一会儿是固态，一会儿又成了水汽，消失在忙忙的空间。

水来自海洋，来自其他水域，甚或来自动植物体内，蒸发，蒸腾，总在繁忙地运动着、变换着。

大气层中的水汽，除了形成云后可以看得见，没形成云的水汽看不见、摸不着，但它的确存在，水汽在大气中的含量虽然很小，但如果能将大气层中的水汽完全凝结成液态，并不比江河湖海中的水量少。水汽在大气中的含量尽管很小，但它却是天气变化的重要角色。

水汽有致暖作用，并不仅仅因为它是温室气体，还在于它在相态变化中产生的潜热。灌水所以能预防霜冻，一是因为近地层水汽含量增大可增强温室效应；二是因为一旦降温，富含水汽的近地面层可形成露或雾，而水汽在凝结成露珠和雾滴过程中可释放潜热。温室效应及释放潜热的双重增温作用，可阻止地面继续降温。

水汽的相态变化也同样有致冷作用。夏季，同一地区的水面温度低于地面温度，除水体以对流方式传热及热容量大外，还有水面蒸发吸热过程的贡献。酷热的夏季，一场雨会带来凉爽的感觉，同样应感谢雨水在蒸发过程中的吸热功能。

水汽和水并无本质的区别，只不过一个是气态，一个是液态。水汽是大气中唯一能发生相态变化的成分。正是这种相态的变化，才形成了露、霜、云雾、雨雪等五彩缤纷的大气现象。

苍茫大海之上，空中云水幻化成了暴风雨，最终被大海吞没。

那些漂浮在陆地上空的云水，再也坚持不住，纷纷坠落，沿着小溪流入江河，沿着江河百川归海。

动植物体内的水分耐不住寂寞，投向空中，最终随着雨水，回归到大海。

一些空中的云水，不愿路经大地，被风带进了海洋。

暖湿空气厌倦了赤道地区的闷热，投向南北两极的怀抱；两极地区的冷空气抵不住极地的寒冷，一路怒吼着投奔赤道地区。冷热狭路相逢，开始了一场搏斗。冷空气重而下碶，暖空气轻而抬升。抬升降温凝结，凝结释放能量，于是形成了空中上下的对流，云横空出世，将那闹事的水抛向大地，那就是降水。

降水不甘示弱，有的化为雨水，有的化为冰雹，有的化为飞雪，有的变作迷雾，有的成了美丽的露珠。地面上的露、霜、雾凇、雨凇和雾，以及空中的云，都是大气中水汽凝结的产物。雨滴可有大小，大雨滴很是自豪，小雨滴也不示弱，那些有幸留在空中的云水，笑着大小雨滴，反射着太阳的光线，把自己装扮成雨后的彩虹。 水汽是大气中唯一能发生相态变化的成分，正是它的相态变化，才有了地面似珍珠的露、剪破绿荷的霜，近地面层咫尺不辨人与牛的雾。

冷暖气团原本是要直达目的地的，由于地球在不停的旋转破坏了气团的运动方向，气团急着前行，方向偏的更为严重。这就是地转偏向力，北半球右偏，南半球左偏。物体向东运行存在一个抬升力，向西运行存在一个下沉力，这就是为什么发射航天器总是向东发射的原因。

云物理中还有一种过冷水。地面摄氏零度的水是要结冰的，高空摄氏零下十几度依然有液态水，十分坚强，这就是过冷水。

过冷水遇到凝结核或附着物会瞬间成冰，尤其是在摄氏零下七到十一度之间，过冷水极易快速结冰，被称为积冰层。飞机怕极了积冰层，总是躲得很远。这也是中纬度地区冷云或混合云人工催化增雨雪、消云减雨、防雹的原理。

水汽充沛但缺少凝结核，形不成冰晶，没有冰晶就形不成雨滴，没有雨滴，只能看着白云飘飞。据高空探测得知，自然云中自然凝结核达不到形成降水所需，所以总见白云飘过。

防雹是人工在云中过量播撒凝结核，使形成的冰晶争夺水汽，最终谁也长不成大个的冰雹。

这一原理只能用于冷云或混合云人工催化。所谓冷云就是云中温度皆低于摄氏零度，混合云就是云中温度上部在摄氏零度以下，下部在摄氏零度以上。可以用碘化银、液氮等类冰晶结构物质，以此欺骗云水，也可用干冰，也就是固体二氧化碳，向云中负温区播撒。

南方的暖云，也就是云中温度皆高于摄氏零度，可不能用这一理论，那是另一种催化手段。

水的魔术般幻化使得水汽在地面形成各种凝结物。首先想到的就是颗颗晶莹的珍珠——露。露是近地面空气中的水汽在地表和地物（如石头、瓦片、农作物的叶面等）上凝结而成的水滴。傍晚或夜间，地面和地物由于支出辐射大于收入辐射而逐渐冷却，贴近地面和地物的空气随之降温。当气温降到使空气中水汽达到饱和时，也就是降到露点温度，地面和地物的表面就会有露珠生成。成露时仅要求贴近地物的气温低于露点温度，此时百叶箱高度上的气温一般仍高于露点温度，水汽含量并未达到饱和。露珠是液态水滴，露生成时，贴地或贴近地物表面的气温仍应高于摄氏0度。

有利于生成露的气象条件是晴朗微风的夜晚。夜间阴天和云量较多时，几乎可拦截地面全部辐射，并向地面反辐射，温室效应增强，不利于地面降温。夜间晴朗，有利于地面和地物迅速辐射冷却降温，促使水汽饱和发生凝结。

微风可以使贴地层空气得到更换，将已发生水汽凝结的旧空气送走，带来新鲜空气以补充新的水汽来源供继续凝结。无风时，无新的水汽来源补充，可供凝结的水汽不多，成露不多；风速过大时，乱流太强，乱流混合层太厚，不利于成露。由于夜间近地面层空气稳定，而稳定层中乱流将上层热量下转，乱流太强不利于地面降温；由于大气中的水汽含量随高度递减，乱流太强、乱流混合层太厚时，乱流交换的结果，将使乱流混合层湿度均匀化，这种利益均沾的结果，使近地面层空气相对变干，难以成露。

露多出现在夏末秋初天气转凉的夜晚，因为这时夜间晴天多，且空气中的水汽含量还相当丰富。夏季虽水汽含量丰富，但昼长夜短，地面降温不显著，贴地层气温不易降到露点以下；冬春季节，因空气中水汽含量较少，也不易成露。

其次想到的是降至春林花委地的霜。霜是近地面水汽在地面和地物上直接凝华而成的冰晶，白色且具有疏松的晶体结构。根据霜的形成条件，可分为辐射霜、平流辐射霜和洼地霜。

辐射霜的形成原因与露相似，也形成于晴朗微风的夜晚，也由地面辐射冷却降温所致，不同处在于二者形成时的气温。成露时，贴近地物表面的气温高于摄氏0度；由于霜是由冰晶组成，因此成霜时贴近地物表面的气温低于摄氏0度，但百叶箱高度上的气温仍可能高于摄氏0度。

冷空气入侵降温后，又经晴朗夜晚地面辐射冷却进一步降温形成的霜，有平流降温的影响，也有辐射降温的影响，因此称平流辐射霜。

夜间，洼地和山谷坡上辐射冷却较洼地、谷底明显，是贴近坡处空气的冷却器。坡上的空气变冷后密度增大，顺坡流入洼地和谷底，并抬升洼地和谷底的较暖空气。坡上冷空气的汇入，易使洼地和山谷降温，再加上继续辐射冷却，很容易出现霜，常称为洼地霜。

霜不同于由露滴冻结而成的冻露。冻露是坚硬的小冰珠，而霜是疏松的晶体结构。

霜和霜冻不同。霜冻指的是由于气温剧烈下降而引起的植物冻害现象。贴地层空气中如果含水量很少，即使气温降得很低，也难形成霜，但可使植物内所含液态水冻结，因此无霜仍可引起霜冻。植物表面虽然有霜形成，但贴地层气温尚未使植物内所含的水达到冻结的程度，因此有霜未必形成霜冻。一般情况，霜形成后如果再进一步降温，很容易导致霜冻的发生。由于霜冻对农作物的危害很大，特别是对蔬菜、水果等危害更为严重，因此预防霜冻就显得非常重要。

第三就是千树万树梨花开的雾凇。雾凇是过冷水雾在树枝、电线及其他细长物体迎风面冻结或由水汽凝华而成的乳白色冰晶，俗称树挂，中国北方常见。

所谓过冷水雾，就是组成雾的小水滴温度低于摄氏0度。摄氏0度是水的冰点，温度低于摄氏0度时水体就要结冰，这只是对大的水体而言。在自然云雾中，可以观测到低于摄氏0度(甚至摄氏零下10度)的液态云雾滴，而且液态云雾滴越小，冻结温度越低。过冷却水滴有一种特性，一旦和低于摄氏0度的物体接触，将立即冻结。

根据雾凇的结构以及形成条件，可将雾凇分为粒状雾凇和晶状雾凇。

粒状雾凇形成时，往往风速较大，且气温在摄氏零下2～零下7度之间。它是由被风吹动的过冷水雾滴与细长的物体接触后迅速冻结而成的。由于冻结速度快，因而形成的雾凇为粒状结构。

晶状雾凇由冰晶所组成，由水汽附在细长物体上凝华而成，形如绒毛，稍受震动即散落。晶状雾形成于微风或静风、气温低于摄氏零下15度的雾天中。由于它密度小，增长缓慢，1小时大约增长1mm，厚度平均不超过1cm，且易被风吹掉，因而一般不易造成灾害。

第四是雨凇。雨凇是由过冷雨滴下降到温度低于摄氏0度的地面或地物上冻结而成，多形成于物体迎风面，呈透明或毛玻璃状的紧密冰层。雨凇的结构清晰可辨，表面一般光滑。根据雨凇的形态，分为梳状、椭圆状、匣状和波状雨凇等。雨凇的形成离不开冻雨。所谓冻雨，就是雨滴的温度低于摄氏0度，即过冷雨滴。由于过冷雨滴与地面低于摄氏0度物体接触后立即冻结，故称之为冻雨。冻雨的产生除需降水产生的基本条件外，还需有上冷、中暖、下冷的垂直温度结构。降水形成后，在高层下落的固态降水粒子经中间暖层融化为液滴，进入下部冷层后温度降至摄氏0度以下，降至地面时形成冻雨。雨凇积冰的直径一般为40～70mm。中国雨凇积冰最大直径出现在衡山南岳，达1200mm，其次是巴东绿葱坡711mm，再次为湖南雪峰山的648mm。第五是扑朔迷离的雾。雾曾一次次激起文人灵感，一次次引发墨客遐想。雾失楼台，月迷津渡，桃源望断无寻处，类烟飞稍重，方雨散还轻，拂林随雨密，度径带烟浮，是古人因雾留下的传世华章。雾似有形而又无形，朦朦胧胧地飘渺于文人的诗篇之间。雾里看花，雾因花而美丽，花因雾而朦胧，一如诗人的情感。雾在山间游动，像画家泼墨，使原来的山变成景，做成了一幅幅丹青，是今人对雾的倾情吟唱。雾是一道自然景观，同时也是一种气象灾害。雾是发生在近地面层的水汽凝结现象。悬浮在近地面层空气中的大量水滴或冰晶，使水平能见度小于1公里的现象称雾；水平能见度1～10公里时为轻雾。根据雾的形成条件，又可分为气团雾和锋面雾两大类。锋面雾是在冷暖空气交界的锋面上，冷暖空气混合使暖空气降温水汽达到饱和发生凝结形成的雾。气团雾是在气团内部形成的雾，根据形成条件，可分辐射雾、平流雾、平流辐射雾、地形雾和蒸发雾，其中以辐射雾和平流雾最为常见。大雾不仅影响交通，而且还加大近地面层污染物浓度，危害人体健康。由于雾总是和逆温层相伴出现，而逆温层又阻止上下层空气的质量交换，使污染物难以扩散，因此雾天时近地面层常聚集大量的污染物。空气中的二氧化硫在大气中被氧化后，与雾滴结合可形成硫酸雾，危及人体健康。