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雲為什麼不會掉下來

2015/10/27
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在春節連假,很多人會到山上旅遊,也有機會欣賞到壯觀的雲海。不過您是否想過一個問題,雲為什麼不會掉下來?雲的成分,是微小的水滴或冰晶,它們都比空氣重,為什麼可以在天上飄浮呢?請聽以下的科學三分鐘,為您揭開謎底:雲為什麼不會掉下來?

雲是什麼?簡單來說,雲的成分就是水。當大氣層中上升的空氣,因為「絕熱膨脹」的現象導致冷卻,而達到飽和–飽和的意思是空氣中水氣的含量已經達到上限–這時候,水氣會凝結成微小的水滴或冰晶,聚集而成的就是雲。就像我們在冬天洗熱水澡,水蒸氣飄上來遇到冷空氣,或因為膨脹冷卻而達到飽和,會產生白色的霧氣一樣。

雲為什麼不會掉下來,主要的因素是空氣浮力、阻力與上升氣流的支撐力。空氣是一種流體,當物體在空氣中移動,就會受到阻力。當移動速度增加,阻力也會越大。用最簡單的說法,形成雲的微小水滴或冰晶,稱為雲滴。如果沒有浮力或上升氣流的支撐力,雲滴確實會受到重力影響往下掉,但是當掉落的速度達到某個數值的時候,空氣阻力會大到剛好將重力完全抵消。這個速度,就叫做「終端速度」,又叫做「沉降速度」。雲滴的沉降速度非常慢,只要有足夠上升氣流或浮力,就可能讓雲滴飄浮在空中不會掉下來。

一般來說,從高處掉落的物體,它的重量愈輕,受到空氣阻力的影響也會愈明顯,導致掉落的速度愈慢。這也可以解釋,為什麼人從高處掉下來會受重傷,從同樣高度掉下來的螞蟻,卻往往不會受到任何傷害。

對於像雲裡的水滴這麼小、這麼輕的物體,空氣阻力的影響就更大了。您可以想像一下,人的頭髮有多粗?大約3萬到5萬奈米。雲裡水滴的直徑,卻可能只有大約20奈米。對於這麼小的東西,科學家通常會用一個斯托克斯定律,來估算它在空氣中掉落的速度。經過計算,它每秒大約會落下12奈米的距離,照這個速度,它掉落1公尺要花上2.6年的時間。就算水滴凝聚變大1千倍,到達直徑20微米,要從1千公尺高空落到地面,也要花上六個小時。

所以,雲不是不會往下掉,只是掉落的速度太慢了,慢到我們幾乎感覺不出來。而且因為它非常輕,遇到上升氣流,甚至還會被愈吹愈高呢。除非有冷空氣的作用,讓雲裡的水滴或冰晶凝聚得更大,讓它變成雨或是雪,才會快速地掉落下來。

就是因為這個道理,我們才能在山上看到雲海的壯麗美景。

今天的科學關鍵字,就是

終端速度 Terminal velocity

關心這個話題的聽眾朋友,也可以透過這個關鍵字,進一步查詢或做延伸閱讀。

【本單元由行政院國家科學委員會補助製播】
2013-02-10 16:55:00
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