2017年2月22日

藍天中似棉絮般的雲彩─雨旛

作者/吳曜竹(國立中央大學大氣科學系學士、碩士,國立臺灣大學大氣科學系博士班研究生,專長為劇烈天氣與颱風研究。)、楊明仁(國立臺灣大學大氣科學系學士,美國華盛頓大學大氣科學博士,現為臺大大氣科學系教授與理學院大氣資災中心主任,專長為天氣動力、對流與降水、大氣模式研究。)

圖一:雨旛。(吳曜竹攝影)
晴朗的天空中,一朵朵的白雲呈現各種奇形怪狀,但大家是否仔細觀察過雲的底部?有些雲的底部長得像拉長的棉絮或是像水母的觸手一般,它就是我們今天要談論的主角「雨旛」。到底雨旛是什麼?它是透過何種物理機制形成的呢?


根據東漢許慎編著的說文解字:「旛,旛胡也。謂旗之下垂者。」所以說旛是指一種由上而下自然下垂且形狀狹長的旗幟,而雨旛的外觀就像是一面細長的旗幟垂掛在雲的下方(圖一)。那雨旛的組成又是什麼呢?

大家應該觀察過熱水壺冒出的白煙,這是由高溫的水蒸氣遇冷凝結成的許多小水滴所組成,氣態的水蒸氣其實肉眼是看不見的。雲的形成過程也是類似的原理:當一塊含有水蒸氣的空氣塊受到外力抬升或因熱力因素上升,上升過程中空氣塊體積會膨脹且逐漸降溫,而當相對濕度達到或超過100%(也就是飽和或過飽和狀態),過飽和的水蒸氣會開始凝結成水滴並且釋放潛熱,這些潛熱同時還會加熱空氣塊,使得空氣塊有機會上升到更高的地方,雲也就會發展到更高的高度。

那什麼是「潛熱」呢?潛熱與我們比較熟悉、可用溫度計直接量測的「可感熱」有何不同呢?潛熱顧名思義為潛在於物質內部的熱量,平常不會釋放出來,所以也量測不到;只有當物質進行相態變化時,即氣態變成液態、或是液態變成固態時,潛熱才會被釋放出來。所以當雲中過飽和的水蒸氣開始凝結成液態水滴時,水蒸氣中的潛熱就會被釋放出來;1公斤的水蒸氣凝結約可以釋放2.5×106焦耳的熱量,所以水氣的潛熱是很大的,這也可以用來部分解釋颱風的巨大風速,主要是因為颱風環流中眾多水氣凝結,其釋放的潛熱提供颱風強烈旋轉的動能。 ......【更多內容請閱讀科學月刊第567期】

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