生活中的自然現象原因

2021-03-04 06:30:21 字數 5446 閱讀 6387

1樓:匿名使用者

水是地球上各種生靈存在的根本,水的變化和運動造就了我們今天的世界。在地球上,水是不斷迴圈運動的,海洋和地面上的水受熱蒸發到天空中,這些水汽又隨著風運動到別的地方,當它們遇到冷空氣,形成降水又重新回到地球表面。這種降水分為兩種:

一種是液態降水,這就是下雨;另一種是固態降水,這就是下雪或下冰雹等。

大氣裡以固態形式落到地球表面上的降水,叫做大氣固態降水。雪是大氣固態降水中的一種最廣泛、最普遍、最主要的形式。大氣固態降水是多種多樣的,除了美麗的雪花以外,還包括能造成很大危害的冰雹,還有我們不經常見到的雪霰和冰粒。

由於天空中氣象條件和生長環境的差異,造成了形形色色的大氣固態降水。這些大氣固態降水的叫法因地而異,因人而異,名目繁多,極不統一。為了方便起見,國際水文協會所屬的國際雪冰委員會,在徵求各國專家意見的基礎上,於2023年召開了一個專門性的國際會議,會上通過了關於大氣固態降水簡明分類的提案。

這個簡明分類,把大氣固態降水分為十種:雪片、星形雪花、柱狀雪晶、針狀雪晶、多枝狀雪晶、軸狀雪晶、不規則雪晶、霰、冰粒和雹。前面的七種統稱為雪。

為什麼後面三種不能叫做雪呢?原來由氣態的水汽變成固態的水有兩個過程,一個是水汽先變成水,然後水再凝結成冰晶;還有一種是水汽不經過水,直接變成冰晶,這種過程叫做水的凝華。所以說雪是天空中的水汽經凝華而來的固態降水。

(右圖為十種大氣固態降水示意圖,從上向下分別為:雪片、星形雪花、柱狀雪晶、針狀雪晶、多枝狀雪晶、軸狀雪晶、不規則雪晶、霰、冰粒、雹)。

雪的近親家族

霰 夏天,在高山地區,天空裡經常有許多過冷水滴圍繞著結晶核凍結,形成了一種白色的沒有光澤的圓團形顆粒,氣象學上把這種東西叫做霰,許多地方口語稱它為米雪或雪霰。霰的直徑一般在0.3到2.

5毫米之間,性質鬆脆,很容易壓碎。霰不屬於雪的範疇,但它也是一種大氣固態降水。

冰粒和冰雹

夏天,在北方平原地區,常常會遇到另外兩種大氣固態降水,這就是冰粒和雹。冰粒和雹是比較大的能夠流淌的水滴圍繞著凝結核一層又一層地凍結而形成的半透明的冰珠。氣象學上把粒徑不超過5毫米的叫做冰粒,把粒徑超過5毫米的叫做冰雹。

冰雹給農業生產帶來很大危害。據記載,世界上最大的冰雹,比拳頭還大,直徑超過十釐米,重量超過一公斤。

霜、雨淞和霧淞

除了大氣固態降水之外,地面上還經常出現另一種所渭「地表生長型」的固態降水,這就是霜、雨淞和霧淞。

這些固態降水,雖不屬於大氣固態降水,僅僅是水汽在地表凝華結晶和凍結而形成的。但這些固態降水,對人類的生產活動也影響較大。霜凍是大家比較熟悉的,它經常讓農業減產。

為了避免霜害,人們付出了艱鉅的勞動。雨淞和霧淞對人類也並不是很友好的,它們一般在高山地帶出現。在過冷天氣裡,微小的雨滴或霧滴碰到劇烈冷卻的物體表面時,便在上面形成雨淞和霧淞。

這類固態降水的強度和規模,有時是非常驚人的,往往在一二天之內,物體迎風面上能聚結上一層一米多厚的冰殼,景色十分神異,好象童話裡的意境。

雪花是怎樣形成的

在天空中運動的水汽怎樣才能形成降雪呢?是不是溫度低於零度就可以了?不是的,水汽想要結晶,形成降雪必須具備兩個條件:

一個條件是水汽飽和。空氣在某一個溫度下所能包含的最大水汽量,叫做飽和水汽量。空氣達到飽和時的溫度,叫做**。

飽和的空氣冷卻到**以下的溫度時,空氣裡就有多餘的水汽變成水滴或冰晶。因為冰面飽和水汽含量比水面要低,所以冰晶生長所要求的水汽飽和程度比水滴要低。也就是說,水滴必須在相對溼度(相對溼度是指空氣中的實際水汽壓與同溫度下空氣的飽和水汽壓的比值)不小於100%時才能增長;而冰晶呢,往往相對溼度不足100%時也能增長。

例如,空氣溫度為-20℃時,相對溼度只有80%,冰晶就能增長了。氣溫越低,冰晶增長所需要的溼度越小。因此,在高空低溫環境裡,冰晶比水滴更容易產生。

另一個條件是空氣裡必須有凝結核。有人做過試驗,如果沒有凝結核,空氣裡的水汽,過飽和到相對溼度500%以上的程度,才有可能凝聚成水滴。但這樣大的過飽和現象在自然大氣裡是不會存在的。

所以沒有凝結核的話,我們地球上就很難能見到雨雪。凝結核是一些懸浮在空中的很微小的固體微粒。最理想的凝結核是那些吸收水分最強的物質微粒。

比如說海鹽、硫酸、氮和其它一些化學物質的微粒。所以我們有時才會見到天空中有云,卻不見降雪,在這種情況下人們往往採用人工降雪。

不在天空裡凝結的雪花

雪都是從天空中降落下來的,怎麼會有不是在天空裡凝結的雪花呢?

2023年冬天,**彼得堡的一家報紙,報導了一件十分有趣的新聞。這則新聞說,在一個舞會上,由於人多,又有成千上百支蠟燭的燃燒,使得舞廳裡又熱又悶,那些身體欠佳的夫人、小姐們幾乎要在歡樂之神面前昏倒了。這時,有一個年輕男子跳上窗臺,一拳打破了玻璃。

於是,舞廳裡意想不到地出現了奇蹟,一朵朵美麗的雪花隨著窗外寒冷的氣流在大廳裡翩翩起舞,飄落在悶熱得發昏的人們的頭髮上和手上。有人好奇地衝出舞廳,想看看外面是不是下雪了。令人驚奇的是天空星光燦爛,新月銀光如水。

那麼,大廳裡的雪花是從哪兒飛來的呢?這真是一個使人百思不解的問題。莫非有人在耍什麼魔術?可是再高明的魔術師,也不可能在大廳裡耍出雪花來。

後來,科學家才解開了這個迷。原來,舞廳裡由於許多人的呼吸飽含了大量水汽,蠟燭的燃燒,又散佈了很多凝結核。當窗外的冷空氣破窗而入的時候,迫使大廳裡的飽和水汽立即凝華結晶,變成雪花了。

因此,只要具備下雪的條件,屋子裡也會下雪的。

雪花的基本形狀

下雪時的景緻美不勝收,但科學家和工藝美術師讚歎的還是小巧玲瓏的雪花圖案。遠在一百多年前,冰川學家們已經開始詳細描述雪花的形態了。

西方冰川學的鼻祖丁鐸耳在他的古典冰川學著作裡,這樣描述他在羅扎峰上看到的雪花:「這些雪花……全是由小冰花組成的,每一朵小冰花都有六片花瓣,有些花瓣象山蘇花一樣放出美麗的小側舌,有些是圓形的,有些又是箭形的,或是鋸齒形的,有些是完整的,有些又呈格狀,但都沒有超出六瓣型的範圍。」

在我國,早在公元前一百多年的西漢文帝時代,有位名叫韓嬰的詩人,他寫了一本《韓詩外傳》,在書中明確指出,「凡草木花多五出,雪花獨六出。」

雪花的基本形狀是六角形,但是大自然中卻幾乎找不出兩朵完全相同的雪花,就象地球上找不出兩個完全相同的人一樣。許多學者用顯微鏡觀測過成千上萬朵雪花,這些研究最後表明,形狀、大小完全一樣和各部分完全對稱的雪花,在自然界中是無法形成的。

在已經被人們觀測過的這些雪花中,再規則勻稱的雪花,也有畸形的地方。為什麼雪花會有畸形呢?因為雪花周圍大氣裡的水汽含量不可能左右上下四面八方都是一樣的,只要稍有差異,水汽含量多的一面總是要增長得快一些。

世界上有不少雪花圖案蒐集者,他們象集郵愛好者一樣收集了各種各樣的雪花**。有個名叫賓特萊的美國人,花了畢生精力拍攝了近六千張**。蘇聯的攝影愛好者西格尚,也是一位雪花**的攝影家,他的令人銷魂的作品經常被工藝美術師用來作為結構圖案的模型。

日本人中谷宇吉郎和他的同事們,在日本北海道大學實驗室的冷房間裡,在日本北方雪原上的帳篷裡,含辛茹苦二十年,拍攝和研究了成千上萬朵的雪花。

但是,儘管雪花的形狀千姿百態,卻萬變不離其宗,所以科學家們才有可能把它們歸納為前面講過的七種形狀。在這七種形狀中,六角形雪片和六稜柱狀雪晶是雪花的最基本形態,其它五種不過是這兩種基本形態的發展、**或組合。

雪的保溫作用

積雪,好象一條奇妙的地毯,鋪蓋在大地上,使地面溫度不致因冬季的嚴寒而降得太低。積雪的這種保溫作用,是和它本身的特性分不開的。

我們都知道,冬天穿棉襖很暖和,穿棉襖為什麼暖和呢?這是因為棉花的孔隙度很高,棉花孔隙裡充填著許多空氣,空氣的導熱效能很差,這層空氣阻止了人體的熱量向外擴散。覆蓋在地球胸膛上的積雪很象棉花,雪花之間的孔隙度很高,就是鑽進積雪孔隙裡的這層空氣,保護了地面溫度不會降得很低。

當然,積雪的保溫功能是隨著它的密度而隨時在變化著的。這很象穿著新棉襖特別暖和,舊棉襖就不太暖和的情況一樣。新雪的密度低,貯藏在裡面的空氣就多,保溫作用就顯得特別強。

老雪呢,象舊棉襖似的,密度高,貯藏在裡面的空氣少,保溫作用就弱了。

為什麼物體裡貯藏的空氣越多,保溫效果越強呢?

這是因為空氣是不良導體的緣故。我們知道,任何一個物體,它本身都能通過熱量,這種能夠通過熱量的效能,稱做物體的導熱性。在自然界常見的幾種物質中,空氣的導熱性最差。

所以物體裡容納的空氣越多,它的導熱性就越差。由於積雪裡所能容納的空氣量變化幅度較大,因此,積雪的導熱係數變化幅度也較大。一般剛下的新雪孔隙大,保溫效應最好,到春天融雪後期,積雪為水所浸漬,這時它的導熱係數就更接近於水了,積雪的保溫作用便趨於消失。

雪蝕作用

冰緣氣候條件下積雪場頻繁的消融和凍脹所產生的一種侵蝕作用。產生雪蝕作用的地區分佈在沒有冰蓋的極地和亞極地以及雪線以下、樹線以上的高山帶。那裡年均氣溫為0℃左右,屬於永久凍土帶。

雪場邊緣的交替凍融,一方面通過冰劈作用使地表物質破碎;一方面雪融水將粉碎的細粒物質帶走,故雪蝕作用包括剝蝕和搬運兩種作用。隨著雪場底部加深,周邊擴大,山坡上逐漸形成周邊坡度小的寬淺盆狀凹地,即雪融凹地。其形態、成因和空間分佈均不同於冰斗,但兩者又有聯絡。

當氣候進一步變冷、雪線下降時,雪蝕凹地可發育成冰斗;反之,氣候轉暖、冰川消退時,冰斗可退化為雪融凹地。不同自然地理條件下的雪蝕作用方式和速度各不相同。在緯度較低、降水量大、年凍融日數多的地方,雪蝕作用速率較快,雪蝕凹地深、面積大。

如中國東北小興安嶺地區,雪蝕凹地十分普遍。反之,在緯度高、降水量少、夏溫低的地方,雪蝕作用就弱。地面坡度的影響是:

坡陡>40°,雪場不易存在;平地上雪蝕作用極慢;30°左右的坡地上,雪蝕作用最為活躍。

【雙彩虹】

當陽光經過水滴時,它會被折射、反射後再折射出來。在水滴內經過一次反射的光線,便形成我們常見的彩虹(主虹)。若光線在水滴內進行了兩次反射,便會產生第二道彩虹(霓)。

霓的顏色排列次序跟主虹是相反的。由於每次反射均會損失一些光能量,因此霓的光亮度亦較弱。

【彩虹為什麼總是彎曲的】

事實上如果條件合適的話,可以看到整圈圓形的彩虹。彩虹的形成是太陽光射向空中的水珠經過折射→反射→折射 後射向我們的眼睛所形成。 不同顏色的太陽光束 經過上述過程形成彩虹的光束與原來光束的偏折角約 180 - 42 = 138度。

也就是說,若太陽光與地面水平,則**彩虹的仰角約為 42度。 以下動畫顯示 以相同視角射向眼睛的所有光束,必然在一個圓錐面上 。

(也就是呈現圓形彩虹光束)

想象你看著東邊的彩虹,太陽在從背後的西邊落下。白色的陽光(彩虹中所有顏色的組合)穿越了大氣,向東通過了你的頭頂,碰到了從暴風雨落下的水滴。當一道光束碰到了水滴,會有兩種可能:

一是光可能直接穿透過去,或者更有趣的是,它可能碰到水滴的前緣,在進入時水滴內部產生彎曲,接著從水滴後端反射回來,再從水滴前端離開,往我們這裡折射出來。這就是形成彩虹的光。

光穿越水滴時彎曲的程度,端視光的波長(即顏色)而定——紅色光的彎曲度最大,橙色光與黃色光次之,依此類推,彎曲最少的是紫色光。

每種顏色各有特定的彎曲角度,陽光中的紅色光,折射的角度是42度,藍色光的折射角度只有40度,所以每種顏色在天空中出現的位置都不同。

若你用一條假想線,連線你的後腦勺和太陽,那麼與這條線呈42度夾角的地方,就是紅色所在的位置。這些不同的位置勾勒出一個弧。既然藍色與假想線只呈 40度夾角,所以彩虹上的藍弧總是在紅色的下面。

彩虹之所以為弧型這當然與其形成有著不可分割的關係,同樣這也與地球的形狀有很大的關係,由於地球表面為一曲面而且還被厚厚的大氣所覆蓋,在雨後空氣中的水含量比平時高,當陽光照射入空氣中的小水滴形成了折射,同時由於地球表面的大氣層為一弧面從而導致了陽光在表面折射形成了我們所見到的弧形彩虹!

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