多姿多彩云科學

劉夕慶

抬頭望天是一件非常有趣或者說令人神往的事情。據說德國大哲學家、科學家康德一生只關心兩件事：一個是人間道德，另一個則是天空奧秘。對于天空，夜晚人們可以看星星，而白天則可去看云。多姿多彩的云，總是吸引著人們的眼球，它們可以隨時“變成”各式各樣的形態，有的像動物、有的像某種物體，惟妙惟肖，讓人不得不感嘆大自然的神奇。

云的多樣和分類

眾所周知，云是地球上龐大的水循環所呈現的有形結果。太陽照在地表上，水蒸發形成水蒸氣。一旦水汽過飽和，水分子就會聚集在空氣中的微塵（凝結核）周圍，由此產生的水滴或水晶將陽光散射到各個方向，這就產生了云的外觀。因此，云是懸浮在貼近地面的大氣中的大量微細水滴或冰晶或兩者混合（有時也包含一些較大的雨滴和冰雪粒）的可見集合體。它的底部不接觸地面。

根據云的云底高度和外形特征，初步分為三族十屬：三族為高云族（4.5千米以上）、中云族（2.5～4.5千米）、低云族（0.1～2.5千米）;十屬為卷云、卷層云、卷積云、高層云、高積云、層云、層積云、雨層云、積云和積雨云。從外觀上，我們則可以記住“積”“層”“卷”“雨”四字：積指像棉花一樣堆積起來的云;層指像一層灰沙一樣滿布天空的云;卷指像一縷縷卷發一樣的云;雨則是會帶來降雨的云。

筆者曾在1975年前后速寫了春夏秋冬一年的淡彩云圖作為素材，現分類型介紹其中幾幅。第一幅中高積云常呈小云團塊出現（這幅畫描繪的是臨近傍晚的高積云。高的層積云中有一個變種，小云塊之間存在縫隙，這叫漏光云，這種云容易跟中云族中的高積云混淆。但層積云通常形態不規則，且小云塊更大）;第二幅中積云呈棉絮狀，云底平坦，總在晴朗的日子慢悠悠地從天上飄過;在第三幅中，霧有時會被認為是地面的層云，但實際上它們的形成方式與層云截然不同;第四幅則為多種類型云層的復合疊加圖景——其中含有高積云和層積云等。

地球中緯度地區云層的典型高度繪圖示意

如果你沒有看到過積云，那真應該多出去走走。這種云屬于低云族（云底高度低于2000米），并且是云彩中最容易看到的一種類型。積云是好天氣的象征，通常形成于天亮后的幾個小時，往往在日落之前便會消散，這是因為積云形成于上升暖氣流上——當地表空氣被太陽加熱之后會上升，形成我們看不見的透明氣柱。

筆者創作的云圖淡彩素描畫

愛舍爾早期版畫作品

大多數的積云都不會生成雨或雪，但在不穩定空氣中，它明亮清晰的花椰菜形態會向上生長，所以它們的云種能從小小的淡積云發展成中積云，再發展成最大的積云形式——濃積云。有了不祥的暗黑云底之后，這種云就不再代表好天氣了。濃積云會造成短時大雨，還會繼續發展成為導致暴風雨到來的、兇猛的積雨云。上圖是荷蘭圖形藝術大師愛舍爾所作的一幅說明地球上龐大的水循環有形相變的畫作：大自然一些表象上的多樣性是通過各種相變來實現的，其本質不變，如大氣環流中水的氣、液、固體三態隨溫度變化而變化。

云彩的科學與藝術

愛默生說過：“自然是一朵多變的云，始終一樣，卻又從不一樣。”這道出了云作為一種可見大氣現象與自然本質的關系。我們經常聽到想象力豐富的小朋友喊道“天空的云兒像xx”，其實這些感覺都基于云彩的變化多端，但各種云的本質仍然是大氣中的水蒸氣遇冷液化成小水滴或凝華成小冰晶并混合而成的飄浮聚合物。也有些云彩是由它們導致的光學現象而在人們腦海中記憶猶新，比如多年前，筆者曾在一個初夏的傍晚，抓拍到了一幅云彩在太陽落山后的西天方向形成一只展翅飛翔的大雁形象。

西方很早就有人在做云彩圖景“收集”工作，其中比較有代表性的組織是英國的賞云協會，據說至今全球各地加入該組織的人數達40000之多。該協會的會長加文·普雷特-平尼是英國知名記者，因為喜歡看云，也喜歡鉆研云彩相關的知識而成立了該協會。這個協會在2017年成就了一項重大業績：當年3月23日世界氣象日，世界氣象組織正式承認了賞云協會提出的一種新的云彩類型——糙面云，并在當時《國際云圖》上在線公布，那年的世界氣象日主題也由此被定為觀云識天。

科學家借助衛星云圖等技術為我們講述關于云和天氣的故事，而在藝術家那里，云又有另外一番情景。比如，祥云是象征祥瑞的云氣，傳說中它是神仙所駕的云彩。北京奧運會火炬傳遞的火炬體身上就刻有祥云的圖案，其圖形結構表明它是低云族中的積云，是作為風和日麗好天氣的祝福與象征。

夢幻般的云科學

由于云彩的特性及其光學圖景千變萬化、神秘莫測，因此它給人們帶來了巨大的想象空間。例如，由云所產生的光學現象就有虹彩云、華、曙暮光條、寶光、彩虹、云虹、22度暈、幻日、環天頂弧、日柱等等。而漫畫具有夸張和幽默的藝術特征，所以，云又被漫畫家的創作所利用。盡管漫畫有夸大其詞之感，但有些夸張卻是基于科學道理之上的，如下面兩幅含有云元素的畫作：《緊急救援》說明了雨層云在一定動力機制下是可移動的（如夏日不穩定天氣所造成的暴風雨）;《天然起重機》則說明云不但自身具有浮力（比重較相鄰空氣為輕），同時還可“載物”——就像人造的飛艇一般。

凡·高等西方著名印象派畫家的風景畫中經常出現大片的云天，比如他的名作《星空》中所畫的云朵似乎都出于他的主觀創造，有時甚至體現了畫家個人的心理作用。在他的畫作中，天空上的云仿佛就是他腦海中的思緒或精神上的變化無常。因此，他在畫中的云盡管沒有什么典型科學圖景的參照，但卻也為其心理學表現騰出了空間。

凡·高畫作中天空上的云仿佛就是他腦海中的思緒萬千和變化無常

再來看看國內，中國古今的山水畫家們中也是運用云圖的高手，他們讓留白的、帶有神秘感的云霧將畫面籠罩，使云在山水畫中大有用武之地。這些寫意性濃烈的畫作表面看起來具有仙境般的想象，但卻遵從了自然科學。比如，右面這幅清代大畫家石濤的山水畫就很特別：人生時空的表達在畫中得到了充分且科學的體現，除了符合自然社會規律的“人往高處走，水往低處流”的動感外，占據畫面主體、發端于流水的飛云不但詮釋了水的相變和大氣環流科學知識，同時也反映了石濤“浪跡天涯，云游四方”的動態人生。

關于云的描繪與傳說圖景不勝枚舉，它變化多端而又無數的象形圖景曾給詩人和畫家帶來無盡的想象，也給物理學家和氣象學家等科學家帶來發現的靈感。所以，當代青少年切莫把視線僅僅局限于虛擬的電子屏幕，它代替不了真實而豐富的大自然給我們的饋贈，讓我們將神圣的好奇心用于自然的科學與藝術吧！

（責任編輯 / 岳萌? 美術編輯 / 張志浩 ）