下边来个详细介绍,转自知乎,估计民科神棍是看不懂的
在规则地充斥着一片天空的高积云中,有时会看到一些奇特而引人注目的云——它们以圆形或细长空洞的形式出现,空洞的中间会有幡状云垂落——这就是落幡洞云(fallstreak hole,hole punch cloud,cavum)。当日暮降临时落幡偶尔还会被夕阳染红,此时更能凸显落幡洞云的垂直结构,如由Indra-Joshi于2019年7月18日在瑞士Niederlenz拍摄的题图[1]。当太阳方位合适时,这些云中还会出现绚丽的光学现象:图1为David Barton在澳大利亚维多利亚的落幡洞云和形成在其上的环地平弧[2]。
1. 过冷液滴与冰晶
形成落幡洞云的云床主要是高积云(altocumulus,Ac),它们是一种大部分由水滴组成中层云,通常处于高空逆温层或者弱锋面前缘,一般在−15°C的温度下形成。组成高积云的云滴处于过冷却状态,但由于缺少冻结核,云滴不能均匀形核(homogeneous nucleation),即自发的冻结,但由于辐射降温作用高积云顶部经常会混合着一定含量的冰晶。在免除外界干扰的理想状态下,小液滴在-37℃以上的温度仍然保持液态。如果向稳定的过冷却云层中引入高浓度的冰晶作为种子冻结核,该区域的液滴可能会迅速冻结而消失,这个过程叫做非均匀形核(heterogeneous nucleation)。引入的种子冰晶可能来源于自然因素或人为因素,比如:更高处的卷云自然下落的冰晶、飞机提供的扰动或者人工降雨投放的凝结核。一般来说,液态的高积云的下方总会存在主要成分为冰晶的云幡,所以在中层大气中会含有一定浓度的冰晶,但浓度过小以至于雷达也无法对其监测。
人为因素主要是飞机的影响。飞机燃料燃烧会产生的飞机尾迹,如果处在合适的环境温度和湿度条件下,会产生冰晶,这些冰晶会逐渐下落,形成航变卷云。大多数情况下,形成航变卷云的条件是相对湿润的高层大气,大部分情况已经处于对流层高层,其中的冰晶在逐渐下落的过程中基本升华殆尽,很难降落到中层的高积云上成为种子冻结核。
如果不考虑燃料燃烧的因素,飞机飞行过程中可以通过涡轮螺旋桨和机翼的运动产生冰晶。螺旋桨高速转动时,其尖端处气压大幅度降低,可视作绝热膨胀过程。该过程中气体体积增大,压强降低,因而温度降低,进而导致水蒸气凝结或冻结,图2中为空中客车A400M产的螺旋状冷却轨迹[3]。当飞机穿过高积云时,机翼和螺旋桨的动力因素导致过冷水滴进一步降温,达到均匀成核的阈值后冻结形成冰晶。研究表明机翼动力降温幅度在局部可能达到20℃甚至更高。喷气式飞机的典型飞行高度不处于-20℃~-40℃,所以这个过程一般被限制在飞机爬升和降落的短暂时间段之内。
2. 落幡的形成
当过冷却云层中出现了种子冰晶,持续的冰晶化过程就开始了。落幡的形成主要受到Wegener-Bergeron–Findeisen过程(WBF过程,以Alfred Wegener、Tor Bergeron和Walter Findeisen命名)影响。水的饱和蒸气压远高于冰的饱和蒸气压,水达到饱和时冰晶已经过处于过饱和状态。如果向过冷却水滴为主的云中引入冰晶,水蒸气会在冰晶的表面凝华,水蒸气含量下降,过冷却水滴蒸发形成水蒸气进行补充,产生的水蒸气再次在冰晶表面凝华,因此水的饱和蒸气压平衡被打破,导致多米诺骨牌效应持续的生成冰晶。简而言之,WBF过程就是冰晶消耗过冷却水滴,通过凝华的方式不断生成的过程。这个过程加上空气动力效应,就可能在一片稳定的云中产生一个明显的空洞——落幡洞云也就形成了。
地面附近的观测者通过持续的观察可以在落幡云洞还很小的时候捕捉到它们,但一般来说,被拍到的落幡云洞可能已经有15~30分钟的历史了,因为云洞在最初的扩张阶段往往是非常迅速的,同时也没那么显眼。通常在一个小时后,云洞不在扩大并开始逐渐被高积云填充,该过程主要是自边缘向内。如果填充过程是由气块大范围缓慢上升引起的,那么整个云层不会出现明显的增厚。值得注意的是,尽管落幡云洞的高度范围向上延伸到传统的“高云层”类别,但它们形成的云层几乎总是根据细胞大小划分为高积云而不是卷云,所以云胞单元大小并不是云高度的可靠指标。
3. 云洞的形成
地面的观测者捕捉到的云洞直径一般在五公里以内,再大一点云洞非常少见,同时在地面上受到视角和能见度的限制也很难分辨出全貌。第二节中,落幡是由飞机引入的种子冻结核形成,这些种子冰晶的浓度可能是普通冰晶云的20倍以上。然而如果仅仅存在这种机制,飞机离开后种子冰晶的来源也随之消失,云洞中的落幡仅会存于云洞中心附近,半径在千米范围之内。但观测表明虽然落幡虽然不能无限制地增长,但可以随着云洞继续扩张很远的距离。视频中为GOES-East卫星拍摄的弗罗里达上空的落幡洞云,其中最大的直径接近30千米。
目前认为云洞的远距离扩张主要很可能受到重力波(Gravity Wave)的影响,图3描述了云洞扩张的空气动力学过程。在生成落幡的WBF过程中,水汽凝华释放潜热(Latent heat),这些潜热会导致初始落幡云上部气块的上升(Updraft),同时远离云洞的一侧形成下沉气流(Subsidence)。下沉过程中绝热增温,原本已经过饱和的高积云(Ac Cloud Deck)气块不再饱和,云滴开始蒸发,并向落幡云洞中心移动最终消失,形成云洞的边界。这部分气块再随着中心的上升气流被抬升,随着温度降低一部分发生冷却凝华再次释放潜热,从而组成完整的重力波环流。但重力波无法在中性稳定的高积云中形成持续的正反馈过程,不能自发地向外发展,所以云洞的扩张存在一个极限,这个极限和当时的大气环境相关。当下沉作用和高积云中缓慢的抬升作用达到平衡后,云洞停止扩张。如果此时抬升作用逐渐加大,云洞会重新被高积云填塞。视频中南面的几个云洞就是典型的由四周向内的填塞过程,而北面的云洞持续了更长的时间,因为北面的大气环境已经不适合高积云稳定的维持,高积云开始逐渐变薄,最终云洞随着高积云的消失而消失。
4. 落幡洞云中的光学现象
在形成落幡洞云的湿度和温度条件下,冰晶多为plate取向的片晶(大雪花),所以经常形成22°幻日、幻日环、环地平弧或环天顶弧等大气光学现象。图4为作者于2020年9月12日在西安拍摄的落幡云洞和形成于其上的环天顶弧(CZA,Circumzenithal Arc)。云洞与周围高积云之间存在清晰的边界。瑞利-贝纳德不稳定在液态的高积云上形成排列紧凑的对流单元,高积云顶部由于辐射降温作用多为冰晶与水滴的混合状态,同时它们也扰乱了空气的稳定性并造成微弱的对流翻覆。自然状态下大部分高积云都存在冰晶云幡,只不过比较薄,肉眼难以观测。可以发现落幡洞云内部的冰晶云幡非常明显,说明大量新冰粒已经成核并生长,大大增加了该处云幡内冰晶的含量,因此相对于周围环境也更加突出。
下面是一些其他的案例:2013年12月11日Wildcard在波士顿去往阿尔伯克基路上拍摄的落幡洞云和22°幻日[4]。2014年11月3日出现的落幡洞云和环地平弧(CHA,Circumhorizontal Arc)[5]。