雨是怎么形成的

王朝干货·作者佚名  2011-11-30
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水全部循环了吗?雨是怎么形成的?

在高中《地理》上册(人教版2004年印)第77页,课本上讲了“水循环”的问题,并配了水循环示意图。把这里讲的同第42-43页的天气系统相比,有一些共通之处,即都是关于“下雨”的问题。表面上看,下雨只不过是地球上的一种水循环过程,没有什么学问可谈。可实际上,天为什么会下雨的问题已经困扰了科学界300多年,至今也没有找到准确的答案。这本《地理》教科书还是在同学生做迷藏,只知道弄些表观的现象来糊弄同学,对雨雪的成因问题只字未提。下面是本人《地球大揭秘》的一些观点,转贴于下,请给位少年大侠审读:

十八、地面热量失踪了吗?太阳每天都在把大地晒热,给海水加温,几亿年如此,可是大地和海洋为何没有将这些热积累起来呢?地面所接收的辐射热跑到哪里去了呢?它不可能传到地底,因为地底是一千多度的炽热岩浆,它也不可能传到高空,因为等离子层的温度比岩浆更高。按热力学第二定律,只要地面没有散热的途径,它应永远保持太阳辐射进来的热量,难道地面的热量失踪了吗?热平衡问题是地球物理学无法回避的,地球表面的几笔热量收支帐目还算楚,因为水在不断蒸发,把地面的热量带到了对流层顶部,并在那里丢掉热

量,还原为水(雨)后回到地面。这表明太阳辐射到地面的热量没钻到地底,而是回到了空中。

问题在于,水既然把地面的热量带到了对流层顶部,那么云层顶部的气温应比地面更高。而实测结果反而更低,赤道上空17公里处的日照最强,而云层顶部气温却低于高纬,约-70℃左右,难道太阳会把云层越晒越冷?水从地面带上来的热量会在这里消失?现代气象学至今没有回答这个问题,在解释夏天为什么多雨和冰雹时,总是说“上升暖湿气流遇到高空冷风锋面……”等,而高空为什么会有冷风而不是热风的问题,则被回避或绕开了。其实,云顶层的气态水分子所受到的太阳辐射比地面更强,8~17公里高空,太阳紫外线、伦琴射线更直接地作用于水汽分子,云顶一部分水分子进行着“第二次蒸发”。

所谓“第二次蒸发”,就是水分子在高空更强烈的辐射环境下电离,电离的化学方程式为:

〖JZ〗4H2O〖FY(〗辐射〖FY)〗4OH-↑+4H+↑

这个反应过程同实验室电解水的过程完全一致,即4个水分子在强光辐射作用下分解为4个负氢氧根离子和4个氢原子核。所不同的是,空气稀薄的高空,被分解出来的4个氢原子核不可能像在地面实验室里那样,很容易从周围物质中抢夺4个电子,并结合为氢气分子。4个负氢氧根离子所带的4个电子也不可能像在地面那样,很快向邻居转“嫁”,因为高空“人口”密度太低。在氮气分子的海洋中,氢原子核一从水分子中分解出来,体积膨胀,疯快地向等离子层浮升,负氢氧根离子也缓慢地向平流层底部浮升。

由于4个体积的水变成了4个体积的负氢氧根离子和4个体积的氢原子核,共由4个体积变成了8个体积,这里显然是吸热反应。反应发生区域的热量被氢原子核H+或氢原子H与氢离子H+2带到了更高天层,被负氢氧根离子带到了平流层底部,这就造成了对流层顶部-55℃至-70℃的低温环境。

4个氢氧根负离子在向平流层底部浮升的过程中,也在缓慢地进行着还原反应,反应式为:

4OH-↑=2H2O↓+O2+4e

即4个负氢氧根离子还原成2个水分子、1个氧分子并放出4个电子。这里由4个体积变成了3个体积,属放热反应。正因为放出了1个体积的热量,从而使平流层底部气温回升到-45℃。从整个双向反应的结果来看,仍有3个体积(假定氢原子核与氢分子体积相同)的热量被氢核带到了外空,地球又会像彗星甩掉彗发那样,把带着热量的多余氢原子核(质子)丢到太空,以维持整个地球的热平衡。这里,水的两次蒸发是地球热平衡过程的基本途径。可见,从地面把热带到高空的水蒸汽并没有全部转化为雨而回到地面,其中一部分物质与热量一起逃离了地球,溶进了太空。

十九、雨与雪的成因

当你飞行在1万米高空,看到更高处仍有少量雾障与淡云时,往往会有这样的疑问,为什么大多数云粒都在云海海面以下,这些高云有什么特殊,能比其它云飘得更高呢?实际上,20公里高空都还有极稀薄的水分子存在,如前所述,这个高度的水分子不是从地面直接就蒸腾上来的,而是“第二次蒸发”后,负氢氧根离子还原出来的水分子。因为氢氧根(OH-)的分子量是17,比水气分子量小1,故比水气浮得更高。当它们在平流层底部还原成水(H2O)后,在-45℃的气温环境下,立即凝结成固态的霰粒,其直径在1微米以下,反射阳光,就像是雾障,特别浓密时,便犹如淡云。原理如图22。

〖TPK22,+90mm。96mm,BP#〗

〖TS(〗〖JZ〗〖HT5”H〗图〓22〖HT〗〖TS)〗

由于大量霰粒向云海掉落,云层的水雾向霰粒聚集,冻成较大的霰粒。当聚到1毫米左右直径时,原霰粒熔解为水,成为雨滴下落到地面。在冬季,原霰粒未被熔解,形成雪花或大霰粒下落到地面,这便是雨和雪的成因。在晴天时,高空霰粒在穿过没有云的云层时,因气温增高而在半空熔解,化为薄雾,或降落地面成为露、霜、或在降落途中,又被第二天的阳光和风再次蒸发。这些高空霰粒体积太小,容易熔解,不易现场“抓获”,故它的存在和作用常被气象学家们忽略。

现气象学一讲雨雪的成因,就说是暖湿气流遇到了冷气团,或湿热空气上升后冷却凝结云云。问题是,在夏秋雨季里,这些冷气团是从哪里来的呢?难道是从南北极圈专门跑来下雨的不成?既然湿热空气把地面的水汽与热能带到了高空,高空应该更热,为何又会冷却凝结为雨雪的呢?不首先弄清对流层顶部出现低温的原因,这种雨雪成因理论就根本不能自圆其说。

如前所述,第二次蒸发是高空寒冷的主因,大量霰粒落入云海并吸热熔解,会使云海“雪上加霜”,当云汽在这种寒冷条件下凝结为雨滴和雪粒后,比重增大,浮力消失,当然会向下飘落,形成雨雪。现在所说的“对流雨”、“地形雨”、“锋面雨”、“台风雨”、“人工降雨”等都只是在说明降雨过程所伴随的现象,并没有说清降雨的原因。

1801年,发现天王星的威廉•赫歇尔(英国)指出,太阳耀斑、黑子少时,地面雨量减少,他揭示了太阳辐射强度与降水量的正比关系。其实太阳辐射强度最直接地与“第二次蒸发”量成正比,辐射越强,第二次蒸发量越大,霰粒越多,造成的雨量越大,大气湿度相对降低,使海洋和湿地的第一次蒸发更快,……全年降雨次数增多,降水总量增大,这便是太阳辐射与降水的因果链条。

以上正比关系是就全球降水总量而言的,就局部地区而言,它往往表现为反比关系。受季风影响,西风风筒的赤道(即大气圈旋转的赤道线)时而倾向北半球,时而偏在南半球。若多数耀斑在上半年爆发,猛增的太阳风风力会使地球的西西南风加速,从而使西风风筒赤道向北旋进得更远,带往北半球的云量更多,降水增多,洪涝灾害也增多;与此同时,南半球云量减少,降水减少,干旱加剧,人们现非常狭义地把它称为厄尔尼诺现象。如1959年前后,北半球普遍干旱,而南半球却降水充沛。1972年前后,非洲严重干旱,而美国、菲律宾洪水成灾。1991年前后,非洲南部仍严重干旱,而中国南部洪水泛滥。这些表明,南北两半球的降水量往往不平衡,但全球降水总量与太阳辐射强度仍是成正比的。

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