地球复杂大气层的 6 个奇特现象 | Discover Magazine

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很可能，你曾见过像大象、米老鼠、唐纳德·特朗普的“头发”这样的云。这些熟悉的云的形状，源于如此复杂的流体动力学，以至于一名研究科学家可能花尽职业生涯也无法完全模拟它们。如果地球由单一材料构成且为完美球体，天气预测就会变得很简单。那样的话，情况将仅由太阳的热量和地球的自转决定。现实中，崎岖的地表会产生巨大的翻滚波浪，在空气中传播，扰乱气团的有序流动。普通动力学随后可能产生奇异的现象。不同的材料也表现出截然不同的特性。水比陆地加热慢，造成压力差，驱动高速风；快速燃烧的火会产生喷火的涡流；飞机起飞时的压力波会将水变成冰。

燃烧的漩涡

珠母云并不罕见，但在极地以外地区很少见到。它们形成于北极和南极漫长而寒冷的冬夜，高达 15 英里（约 24 公里）的地球表面以上——即使地表处于季节性漫长的黑暗中，这里也足以捕捉到几缕阳光。只有当气温降至华氏 -117 度（约零下 83 摄氏度）以下时，云才会形成于大气层的这一高层，这是水蒸气在平流层稀薄、干燥的空气中凝结的阈值。在空气最冷的地方——大气波的波峰处——会形成冰晶，这些波浪是由下方移动的空气在翻越山脉时上升和下降而产生的。每个波浪中的晶体尺寸略有不同，因此它们在不同角度折射光线。结果就是天空中充满了细长的色彩波纹。

闪光

2008 年，干燥多风的圣安娜风助长了南加州一场持续四天的野火，导致了在约巴林达附近的房屋附近出现的这种龙卷风状火旋。火旋是当野火上方的过热空气产生强烈的上升和下降气流，然后被风剪切，导致它们扭曲成漏斗状火焰向上的涡流。幸运的是，大多数这种地狱般的旋风很快就会消失，尽管有些——比如 1923 年关东大地震后席卷东京、造成 44,000 人死亡的“龙卷风”——可能会变得致命。

夜间光芒

一个多世纪以来，目击者一直在报告夜间看到云朵周围短暂发光的触须、光环和条纹。科学家们一直持怀疑态度，直到 1989 年一组研究人员用相机捕捉到其中一次。事实证明，奇异的光芒——现在称为瞬态发光事件 (TLEs)——确实会发生在雷暴上方。“精灵”是红色的光柱，可以延伸超过 30 英里（约 48 公里），达到 50 英里（约 80 公里）的高度；它们总是与常见的云对地闪电同时发生，尽管科学家们尚未了解这种联系。“精灵”是迄今为止最常见的 TLE，它们是出现在电离层中、比地球高约 55 英里（约 88 公里）处的、宽达 300 英里（约 482 公里）的、短暂快速膨胀的环状发光体。“蓝喷流”从雷暴顶部以狭窄的圆锥形向上移动，并在约 25 英里（约 40 公里）的高度消失。基于卫星观测，研究人员估计全球雷暴每分钟产生约 40 次 TLE。

滚动的云

云通常形成于冷暖气团的边界。通常结果是一大团积云，但在某些罕见条件下，形成的不是积云，而是一个笔直、旋转的蓬松管状物——一条绳状云或滚轴云。这个就出现在 2009 年乌拉圭马尔多纳多拉斯奥拉海滩附近。要形成绳状云，冷空气团的前缘必须直线、稳定地前进，这只有当它流过海洋等光滑、平坦的表面时才会发生。海水蒸发也会降低近地面的空气密度，使其无法与上层空气混合。无处可去，这层薄薄的低空潮湿空气被前进的冷锋卷起，就像卷地毯一样。

海浪般的天空

一个熟悉的老形状出现在不熟悉的地方。这些海浪状的云形成方式与海浪相似。当任何流体的两个层以不同的速度相互流过时，它们就会开始剪切。如果这些层之间的边界有波纹，剪切作用会产生离心力，将流体——或空气——卷在一起。这个过程在地球大气层中随时都在发生，但只有在温度和湿度条件适宜的情况下，才会形成像这样近乎完美的卷曲图案的云。

飞机造成的痕迹

云中的过冷水滴可以在远低于冰点的温度下保持液态，其表面张力阻止了固体晶体的形成。当飞机穿过这样的云层时，机翼下方会推开空气，而机翼上方气压会急剧下降，从而产生升力。机翼上方的空气迅速膨胀并冷却到华氏 -40 度（零下 40 摄氏度），这是过冷水变成冰的温度。新形成的冰晶向下坠落，其从液态转变为固态过程中释放的能量会蒸发附近的液态水滴，在云中留下一个洞。这张由 20 分钟内拍摄的四张照片组成的复合图像，捕捉到了飞机触发的冰晶形成的黑色“坠落条纹”，这些晶体通常在接触地面之前就会蒸发。