云物理學(xué)（云霧和降水物理學(xué)科）

云物理學(xué)（云霧和降水物理學(xué)科）云霧和降水物理學(xué)科01簡介研究對象分類主要的矛盾目錄03020405方法體系云的觀測發(fā)展簡史目錄0706基本信息云物理學(xué)（cloudphysics）是以大氣熱力學(xué)和大氣動力學(xué)為基礎(chǔ)，研究大氣中云的發(fā)生、發(fā)展、結(jié)構(gòu)及其產(chǎn)生降水(如雨、雪、雹等)所遵循的物理和動力過程的學(xué)科。具體而言就是研究云、霧和降水和形成、發(fā)展、維持和消散規(guī)律的科學(xué)。簡介簡介云霧和降水物理學(xué)，簡稱云物理學(xué)。是以大氣熱力學(xué)和動力學(xué)為基礎(chǔ)，研究云、霧和降水的形成過程，發(fā)展規(guī)律以及如何影響、控制它的一門學(xué)科。云和降水與天氣、氣候密切相關(guān)，大部分災(zāi)害性天氣，如暴雨、雷暴、冰雹、臺風(fēng)、龍卷風(fēng)和霧障等都和云雨過程有關(guān)；云和降水也是地-氣系統(tǒng)的動量、熱量、水分傳輸和平衡的關(guān)鍵因素。分類分類按研究對象尺度的大小，云物理學(xué)可分為宏觀云物理學(xué)和微觀云物理學(xué)二部分。

前者研究水平尺度10m~100km以至1000km，垂直厚度10m~10km范圍內(nèi)云的形成、發(fā)展和消散的動力過程；后者研究云體的組成元素——云粒子（包括云滴、冰晶）和降水粒子（雨、雪和冰雹等）所經(jīng)歷的凝結(jié)（華）、碰并和蒸發(fā)等過程。其尺度僅0.1μm~1cm。宏觀云物理學(xué)主要是大氣動力學(xué)問題，微觀云物理學(xué)則更多的是水汽的相變熱力學(xué)和氣溶膠力學(xué)問題，所需的知識為熱力學(xué)原理、擴散理論和物理化學(xué)等。宏觀和微觀二者是相互依存、相互作用的。通常的云物理學(xué)著作側(cè)重于云的微物理學(xué)，并不是認為云的動力過程不重要，主要原因是對云的動力學(xué)的了解遠不如對云的微物理學(xué)那樣清楚。研究對象宏觀尺度微尺度研究對象微尺度微尺度：云雨滴的形成、增大和消散規(guī)律。宏觀尺度（1）結(jié)構(gòu)尺度：云雨中的特征結(jié)構(gòu)；（2）中小尺度：有獨立意義的中小規(guī)模的云雨單元及天氣系統(tǒng)；（3）天氣尺度：云雨單元的集體以及范圍較大的天氣系統(tǒng)；主要的矛盾主要的矛盾云霧降水物理中最主要的矛盾是大氣在運動中實際可能包含的水汽量和大氣中實際存在的水份含量之間的矛盾。該矛盾的存在，才有云霧的發(fā)生發(fā)展(大多情況)，以及降水的發(fā)生和減弱。該矛盾貫穿在整個自然界氣流與空中水分相變的相互制約過程中。當(dāng)然，在云霧發(fā)展的某一局部階段，其它矛盾可能暫時轉(zhuǎn)化為主要矛盾。但總的來說，其它矛盾不占經(jīng)常的、主要的地位。因此，各種云霧現(xiàn)象中只有與主要矛盾相聯(lián)系的現(xiàn)象才是更重要的。方法體系觀測和探測理化實驗（隔離因子）理化模擬（綜合因子）數(shù)值模擬人工影響云霧降水作業(yè)12345方法體系觀測和探測對客觀自然云霧或人工影響后的云霧獲得感性認識的方法。例如：（1）組織中小尺度觀測網(wǎng)；（2）進行云內(nèi)外溫、濕、壓及氣流分布探測，云體發(fā)展及挾卷情況探測、雷過回波及衛(wèi)星云圖；（3）云內(nèi)微物理結(jié)構(gòu)及其有關(guān)參量和特征（如滴譜、含水量等）觀測、降水觀測等理化實驗（隔離因子）從云霧過程的整體中隔離出一些因子，在實驗室分析較為單純的一些物理關(guān)系。例如：（1）水滴半徑與下落末速度的關(guān)系；（2）凍結(jié)核的有效閾溫；（3）不同半徑水滴的重力碰并或電力碰并等。理化模擬（綜合因子）用實驗方法，模擬自然機制及過程。使設(shè)計出的現(xiàn)象與自然過程在直觀上有一定的相似性，可用增減因子或改變參量的有控制的實驗方法，研究云霧物理過程的因子、機制、子過程等。例如：（1）在有垂直風(fēng)洞的冷云室中，模擬冰雹在有過冷水滴的云中的增長，并分析影響其增長的因子；（2）在水箱中加入由BaCl2和Na2SO4溶液混合而沉淀出BaSO4，用此沉淀物下沉情況模擬自然熱云泡上升的情況；（3）用薄層流體頂部冷卻低部加熱，模擬自然云的細胞對流過程及鑲嵌云和波狀云的形狀，研究相應(yīng)的自然過程及云狀的形成條件等。數(shù)值模擬根據(jù)控制自然云霧降水發(fā)展過程的基本規(guī)律所遵循的數(shù)學(xué)物理方程組（包括宏觀的流體動力及熱力學(xué)方程組和云霧微觀過程方程組），按實測的初始及邊界條件，進行數(shù)值求解。把所得結(jié)果與自然界云霧降水發(fā)展的探測數(shù)據(jù)相比較，二者相符則認為原采用的這些方程組所代表的過程與自然過程相符，即模擬成功?？蓴[脫實驗室的約束和局限，可考慮較多因子?？梢院軓?fù)雜，但自然界的復(fù)雜性不能完全用方程表達出來。人工影響云霧降水作業(yè)用人為方法干擾云霧降水過程，觀測干擾后果，以了解云霧降水發(fā)展規(guī)律。但是自然云霧降水過程十分復(fù)雜，影響因子的主次常有變化；當(dāng)引入人為干擾時，干擾的原理、催化劑性質(zhì)和劑量、干擾部位及被干擾對象的特點等，都直接或間接影響云霧降水過程的其后發(fā)展；干擾后果是自然發(fā)展與人為干擾的綜合疊加造成，區(qū)分十分困難。發(fā)展簡史成核作用的早期發(fā)現(xiàn)過冷卻和伯杰龍假說IrvingLangmuir博士Schaefer的偉大發(fā)現(xiàn)Vonnegut博士的碘化銀實驗12345發(fā)展簡史成核作用的早期發(fā)現(xiàn)1870年Kelvin勛爵在愛丁堡皇家學(xué)會的會議錄上發(fā)表了具有重大意義的論文。云滴表面飽和水汽壓隨溫度和水滴大小的變化關(guān)系。1875年法國人Coulier發(fā)表了他的試驗結(jié)果，證實了空氣中的懸浮顆粒在微量過飽和或未達到過飽和情況下，可充當(dāng)在其周圍發(fā)生凝結(jié)的核。1880年后，便有蘇格蘭物理學(xué)家JohnAitken埋頭苦干了近35年的卓越的研究工作。用他那個被稱之為愛根核計數(shù)器的輕便膨脹室，考察了低層大氣中所含的顆粒數(shù)。1884年Raoult研究稀溶液的飽和水汽壓定律。1890年，Gibbs提出相變時能量轉(zhuǎn)化有關(guān)的Gibbs自由能概念。1897年Wilson進行了經(jīng)典的云室試驗，研究無塵空氣中帶電離子的凝結(jié)。1921和1926年，瑞典化學(xué)家兼氣象學(xué)家HildingKohler證實了海鹽核的重要性，并發(fā)展了吸濕性核凝結(jié)理論。繼這項開拓性的工作以后，德國法蘭克福Taunus觀象臺進行了一系列核的數(shù)目和大小的測定，由基督教徒Junge指導(dǎo)繼續(xù)進行。Junge和他以前的JohnAitken一樣，成為這一學(xué)科的世界權(quán)威。過冷卻和伯杰龍假說22年以后，Bergeron將觀測事實加以整理，提出了他那個液相和冰相混合云發(fā)生降水的著名理論。Bergeron把他的理論提到1933年在里斯本召開的國際大地測量和地球物理聯(lián)合會第五次全體會議上，會議論文集直到1935年才發(fā)表。Findeisen在Bergeron思想的基礎(chǔ)上加以擴充，于1938年發(fā)表文章對這個理論作了更為明確的闡述，并引進了許多新的解釋。因此Bergeron理論在許多地方便以Bergeron-Findeisen理論而著稱。IrvingLangmuir博士Langmuir博士美國最早的諾貝爾獎金獲得者之一，因表面化學(xué)方面的工作而獲得1932年的諾貝爾獎。1947年他在美國科學(xué)院的講演中是這樣敘述Schaefer早期的研究工作：“Schaefer比我年輕得多。他來實驗室，就在機械車間工作，是一位很熟練的技工，給我們做了許多精密儀器。后來他想?yún)⒓友芯抗ぷ?。便和我們一起研究表面化學(xué)，工作得很不錯，發(fā)表過這方面的研究成果。他喜歡爬山，我也喜歡，總的說我們都喜歡室外生活。這是很重要的，而且和我們后面對人工控制天氣的興趣密切相關(guān)。我們現(xiàn)在所做的許多事情都源出于那個共同的背景。誰也不會給我們作出那種安排。要不是我們生性就喜歡這樣做的話，誰也無法說服我們冬天登上華盛頓山進行這一項屬于自然現(xiàn)象的研究”。Schaefer的偉大發(fā)現(xiàn)觀測冰箱里濕空氣的凝結(jié)時，當(dāng)溫度降到-20℃左右時，仍沒有冰形成。最后，在一個異常酷熱的日子（1946年7月12日）。冰箱里的溫度不夠低，他想讓溫度再低一點，就取了一大塊干冰投入箱中去降低溫度。忽然間，空氣中馬上充滿了冰晶，足有幾百萬個。他又把干冰取出來，冰晶維持了一會。接著他發(fā)現(xiàn)，即使很小一塊干冰也能使云里充滿冰晶。他取一根在液態(tài)空氣中浸過的針，讓這根針在冰箱里經(jīng)過一次。結(jié)果只要一接觸這根針，就又產(chǎn)生無數(shù)個冰晶。這個效果很快散布到整個冰箱。這是一個絕妙的實驗……。Schaefer實驗日記中這樣寫道：“當(dāng)我們還在云里面看見到處是耀眼的冰晶時，我轉(zhuǎn)向Curt和他握手，我說：‘我們成功了’！Schaefer就他的實驗給《科學(xué)》雜志寫了一篇文章，發(fā)表于1946年11月15日的期刊上。他在文章的結(jié)語中寫道：按計劃準備在不久的將來通過一架飛機向云中播撒小塊干冰，而將過冷云大規(guī)模轉(zhuǎn)化為冰晶云。我們相信，這種作業(yè)是切實可行、比較經(jīng)濟的，同時，大面積的云系也可用這種方法進行人工影響。最后這一句話竟落在事實后面，1946年11月13日，即這一期《科學(xué)》出版的前兩天，Schaefer進行了一次有歷史意義的飛行，它是人類第一次對一塊過冷云進行科學(xué)播撒。Schaefer從Curt駕駛的一架小型飛機的座艙里，在一塊云的上方沿著一條大約3英里長的航線，播撒了3磅干冰。這塊云是層云，云高4000多米，云中溫度-20C。Vonnegut博士的碘化銀實驗在麻省理工學(xué)院曾研究過與飛機積冰有關(guān)的成核作用問題的Vonnegut博士，于1946年秋季，在通用電氣實驗室忙于研究各種成核過程。當(dāng)Schaefer實驗室的實驗做過以后，便把他的注意力又轉(zhuǎn)移到冰的成核作用上來。當(dāng)他了解到冰晶可以在具有適當(dāng)?shù)木w結(jié)構(gòu)的物質(zhì)上增長核化之后，他翻閱了x光晶體學(xué)手冊，尋找晶體結(jié)構(gòu)和冰晶相近、又不溶于水的物質(zhì)。碘化銀和碘化鉛似乎是最合乎這個條件的。云的觀測云的觀測云