大自然探索

      世界上有许多观云爱好者，他们在世界各地拍摄各种奇异的云的照片。但对科学家来说，他们更关心的不是云千变万化的形状，而是云与全球气候变化之间的关系。他们利用卫星、传感器以及科研飞机等对云进行观察研究，以了解云在阳光和热量之间穿行时会产生什么样的影响。

 2009年8月，在澳大利亚卡奔塔利亚湾附近，一名摄影师从飞机上拍到一幅绵延上千千米的像管道一样的云的照片（见上页图）。据报道，每年秋天，在澳大利亚昆士兰州的偏远小镇——伯克顿镇，天空中经常出现这种长长的管状云，并因此吸引来不少游客。其实这是一种被叫做“阵晨风云”的十分罕见的滚轴云。人们曾经在很长时间里都不知道这种奇异的云是如何形成的，直到最近才揭开其神秘面纱。
这是一种特殊的气候构造，是在澳大利亚昆士兰州约克角半岛附近，因海洋和陆地的独特地理位置而产生的。约克角半岛长约 800千米，岛尖向北伸入大西洋，左右分别与卡奔塔利亚湾和珊瑚海相连。每年秋天，白天来自东部的信风吹过半岛，深夜又从西部海岸刮过来一股海风，两股风碰撞后产生波状扰动，然后转向西南方进入内陆。早晨，当潮湿的海洋空气从海面升起，遇到进入内陆的海风时，空气冷却、凝结，便形成了滚轴云。有时海风在一天之内会多次进入内陆，于是便形成了多个滚轴云，最多时超过十个，非常壮观。人们在观云时会感觉它们在不停地向后滚动，其实这是由滚轴云的前缘不断形成、后缘不断消失而产生的一种错觉。
以下介绍几种最奇特的云，以及科学家对它们的成因解释。

②观云指南

对于科学家来说，他们更关心的不是云的千变万化的形状，而是云在天空中停留几分钟或几小时后，究竟是化成雨雪降落下来，还是随风渐渐消散，而这些都与云的成因有关。那么，天空中千变万化的云是怎样形成的呢？天空中的哪块云会下雨（或下雪）呢？

云的形成
云是地球大气的构成成分之一，是水蒸气在大气中凝结而成的产物。
云的形成需要两个重要条件：水蒸气和空气中的微粒，如尘粒或浪花中泛起的盐粒。太阳照在地球的表面，水蒸发形成水蒸气，一旦水汽过饱和，水分子就会聚集在空气中的微粒周围，由此产生的水滴或冰晶将阳光散射到各个方向，于是就形成了云的外观。不同的大气条件会形成不同类型的云层，有的云会形成降雨或降雪，有的云只是出现在天空中的变幻万千的美丽云彩而已。
空气在不断地流动，云也在不断地变换位置并改变形状。如果水滴蒸发掉了，或者水滴互相漂散移开了，云也就消失了。有时风也会将飘浮在天空中的云带走。由于大气中不同层面的风力并不相同，所以我们有时看到天空中不同高度的云彩以不同的速度移动。
如果你在一段时间内注意观察天空中的某个部分，你就能看到云形成、移动和改变形状的过程。不过，云的活动并非总是十分明显，有时可能非常缓慢，因此要观察云的变化要有足够的耐心。如果能够借助于延时视频的录像效果，就更容易看到云随时间而改变的过程。

云的分类
对云的最早的科学分类方法是由法国博物学家尚·拉马克于1801年提出的。1929年，国际气象组织以英国科学家路克·何华特于1803年提出的分类方法为基础，按云的形状、组成成分、形成原因等把云分为十大云属，并按其云底高度划入三个云族：高云、中云和低云。
云还可简单地分为四种基本类型：独立分布的积云、层层相叠的层云、羽毛状的卷云，以及会下雨的积雨云，作为划分其他所有类型云的基础。

如何观云
云常伴随着天气系统的发展而变化，因此观云是预测天气的重要手段之一。我们观云应该首先从观察云的形状开始，辨别其云属，然后再观察云的高度和云量。简单地说，云的形状可分为卷状、层状和积状。卷状云是一丝丝轻薄的云，层状云呈平坦的块状，积状云则是一朵一朵高低起伏的云。需要注意的是，某些云同时兼具两种特征。知道了云的形状，就能判断其云属了。
我们还可以从高度上对云进行辨别。通常出现在摩天大楼和山峰上的云属于低云；卷云的位置最高，属于高云；位于两者之间的云则属于中云。

云所做的事情不仅仅是降雨飞雪。科学家现在已经认识到，通过吸收和反射阳光，云还有助于控制围绕地球的能量的流动。实际上，飘浮在我们头顶上的云对地球气候的影响比我们想象的要大得多。对云与气候变暖关系的最新研究提供给我们一个如何看待云的新视角，这将有助于科学家更准确地预测未来的气候变化。下面介绍在这方面取得的一些最新研究进展。

云是地球气候的神秘仲裁者
过去研究人员认为云存在的时间相对短暂，因此只把它看作是近期天气变化指标，而非影响长期天气变化的主要因素，但现在他们已经逐渐认识到，云对地球接受多少阳光、将多少阳光反射到太空产生影响，从而对全球气候变化产生影响。目前，科学家正利用卫星、传感器以及科研飞机等观察研究云在阳光和热量之间穿行时会产生什么样的影响。
地球吸收太阳热量，使空气变暖，而云是含有水汽的变暖空气被推向高处时的产物。随着海拔高度增加，大气层越来越冷，而冷空气可容纳的水蒸气较少，一些水蒸气就会沉积在尘粒或盐粒上，凝结成小水滴或冰晶，形成液态或固态的水，这就是云。由于云能散射光线，所以我们可以看到云在天上悠悠飘浮。
穿过云层的阳光给地球表面带来热量，而这些热量最终要散发掉，那么地球是如何排除这些热量的呢？有两个途径，一是直接以红外能量的形式辐射掉，一是被大气中的分子（主要是二氧化碳和水蒸气）以及云中的液态水和冰冻水所吸收。太阳的短波辐射透过大气射入地面，地面增暖后放出的长波辐射被大气中的二氧化碳等物质所吸收，从而产生大气变暖的效应，即温室效应，使得地球生命获得需要的光和热。
这种现象也解释了为什么多云的夜晚一般比晴朗的夜晚更暖和，因为地球需要释放白天被困在云层中的热量。
科学家是在20多年前才开始对云的作用产生新的看法的。当时有研究人员怀疑二氧化碳和其他温室气体的产生与燃料化石有关，并使地球变得过热。计算机模型也显示，空气中二氧化碳含量增加会相应提高地球温度，而温暖的空气也将容纳更多的水蒸气，这可能会增加高达50%的温室效应。
不过，在上世纪80年代初，气象学家还不能预测云层对未来长期气候变化的影响。直到1989年，美国科学家公布了他们的研究结果：云对地球的降温作用大于其增加热量的作用，云可使地球表面0.5平方米的地方减少约60瓦灯泡的热量，如果天上没有云，地球可能比现在要热得多。

云可能有助于防止热带地区过热
热带海洋有几个非常炎热的地区，如印度尼西亚附近的西太平洋地区，许多水蒸气在这一地区被蒸发掉，使当地的大气层变得很热。炎热的空气应该会使海洋变得更暖，使更多的水被蒸发掉，产生更多的水蒸气，成为无法控制的恶性循环。然而，这一地区的海水温度很少会超过30℃。显然，在这一地区一定存在着一个控制这种恶性循环的“刹车系统”，而研究认为起“刹车系统”作用的正是云。热带的一些热点地区的天空产生了大量的积雨云，形成云砧，遮蔽着数平方千米的海域。海洋越热，海洋上空的云砧越多，云砧越多，反射的阳光也越多，也就达到了遏制海洋继续变暖的效果。

气候变暖导致低空云层减少
根据一项新的研究，当海洋变暖时，飘浮在太平洋东北部上空的云就会渐渐消散。研究人员将这种现象称之为气候变暖的“恶性循环”。
该研究称，低空云层能将太阳光反射回太空，从而降低海洋温度，对地球起到降温的作用，而气候变暖则会逐渐减少有助于给地球降温的低空云层。低空云层通常是由水组成的，包括那些在多云的时候人们看到的较为黑暗和平坦的云。
计算机模拟结果显示，如果气候变暖增加了低空云层的云量，由于云层能阻挡入射的太阳辐射从而造成降温，在这种情况下，云为气候变化提供了一种“负反馈”效应；但如果气候变暖减少了低空云层的云量，那么就会带来更多的太阳辐射，在这种情况下，云就为气候变化提供了一种“正反馈”效应。科学家注意到，在过去50年中，低空云层的云量一直呈“正反馈”循环模式。也就是说，气候变暖减少了云层的覆盖，而随着云量的减少，照射到地球表面的太阳光线增加，这又使得天气变得更为温暖。
科学家认为，不同卫星收集的云层数据会有差异，而人们在地面上的观察结果也带有一定的主观性，因此根据这些不完善的观察数据得出的气候变化趋势分析有时让人怀疑，但云层发出的信号则是真实存在的。
如此来看，对低空云层的进一步研究有着特殊的意义。了解气候变暖导致低空云层减少的趋势，将有助于提高气候模型中对云的模拟的精确程度，从而更准确地预测未来的气候变化。

大块的海洋层积云像镜子一样反射阳光
一个由200多名科学家组成的国际科学家小组的一项最新研究表明，太平洋上空的云层会对全球气候和天气系统产生影响。该研究认为，由于太平洋上空的一些云层的面积比美国还要大，因此其对地球气候的影响极大。
科学家目前正在调查一种被叫做“海洋层积云”的云系类型。当深海较冷的海水上涌到海面时，使海面温度下降，水汽凝聚上升并形成大块的海洋层积云。有两架科研飞机用于这项研究。飞机穿过低空云层时，科学家通过安装在飞机上的探测器收集数据，以了解云系如何形成、如何反射阳光、哪些因素决定云系的持续时间等。
飘浮在东南太平洋地区上空的海洋层积云的高度一般不超过海面以上2000米，几乎全年都会出现。科学家已经开始认识到这些覆盖在海面上空的大块云系对地球气候所起的作用：它们就像一面面巨大的镜子将阳光反射回太空，限制了到达地球表面的阳光。
参加该项研究的科学家还希望能够了解智利和秘鲁沿海的采矿活动是否会影响到云层的特性。在采矿过程中，一些微小的矿物颗粒被带到高空大气层中，与大气层中的水蒸气接触后形成水滴。科学家打算收集有关数据，用以评估矿物粒子是否会对降雨量产生影响，以及充满矿物粒子的云层是否会比正常的云层反射更多的阳光。

夜光云频繁出现或与温室气体排放有关
2009年5月29日，欧洲北部的居民首次看到了奇异的夜光云。摄影师拍摄下了银蓝色的奇异云层，它们就像卷须一样，在横跨丹麦、北爱尔兰和苏格兰的暮色苍茫的天空中伸展开来。
夜光云是地球大气中最高的云层，高度可达地球表面以上80千米。因高度的原因，在日出前或日落后，夜光云还能在地平线下的太阳的照耀下发出辉光。夜光云一般呈无色或淡蓝色，偶尔也出现红色、绿色和蓝色等。夜光云的形状有时是没有什么特色的带状，有时呈现独特的条纹状、波浪形或漩涡状。与人们比较熟悉的低空云层一样，夜光云也是由水滴附着在尘埃颗粒（40到100纳米直径的极小水冰晶体）表面形成的。高空尘埃和水蒸气的来源尚不确定，有人认为这些尘埃可能来自微小的流星，也可能来自对流层的火山灰和大气尘埃，而水蒸气可能是通过对流层顶的间隙升到高空的。
人类发现夜光云的时间不长，对夜光云的成因还没有充分的了解。1883年喀拉喀托火山爆发之后两年，首次发现夜光云，但至今仍不清楚夜光云的出现是否与火山爆发有关。此外，太阳活动、气候变化、太空尘埃和火箭发射也有可能是这种云现象发生的原因。
夜光云通常只出现在南北纬度50°至70°的地区，5月中旬至8月中旬多出现在北半球，11月中旬至来年2月中旬多出现在南半球。虽然夜光云在南北半球都会出现，但在北半球被观察到的频率比南半球明显要多得多，这可能是因为南半球陆地面积少，观察者也相对较少的原因。
不过，在最近几年里，夜光云出现的范围已扩展到了纬度40°的地区，而且数量越来越多，亮度也越来越强。夜光云出现的范围扩大和频率增加的原因目前尚不清楚。研究发现夜光云对气候环境极为敏感，因此有科学家推测，温室气体排放增加有可能导致了夜光云的频繁出现——温室气体造成地球上层大气降温，而低温是云层形成的必要条件。
2009年9月，美国宇航局的“带电粒子气体释放试验”火箭升空，该试验的目的是在地球大气层最外层生成人造云，以模拟夜光云现象。科学家希望借助这项试验研究夜光云内部的气体和尘埃粒子的分布等情况。

科学家相信，在变幻莫测的天气变化中，无论是什么样的机制在起作用，他们最终能够建立起某种预测模型，以准确预测在一个因人类行为而改变了的大气层中，云究竟会对全球气候产生什么样的影响。

完整的故事，请阅读《大自然探索》杂志2009年第12期