多姿多彩云科学

刘夕庆

抬头望天是一件非常有趣或者说令人神往的事情。据说德国大哲学家、科学家康德一生只关心两件事：一个是人间道德，另一个则是天空奥秘。对于天空，夜晚人们可以看星星，而白天则可去看云。多姿多彩的云，总是吸引着人们的眼球，它们可以随时“变成”各式各样的形态，有的像动物、有的像某种物体，惟妙惟肖，让人不得不感叹大自然的神奇。

云的多样和分类

众所周知，云是地球上庞大的水循环所呈现的有形结果。太阳照在地表上，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尘（凝结核）周围，由此产生的水滴或水晶将阳光散射到各个方向，这就产生了云的外观。因此，云是悬浮在贴近地面的大气中的大量微细水滴或冰晶或两者混合（有时也包含一些较大的雨滴和冰雪粒）的可见集合体。它的底部不接触地面。

根据云的云底高度和外形特征，初步分为三族十属：三族为高云族（4.5千米以上）、中云族（2.5～4.5千米）、低云族（0.1～2.5千米）;十属为卷云、卷层云、卷积云、高层云、高积云、层云、层积云、雨层云、积云和积雨云。从外观上，我们则可以记住“积”“层”“卷”“雨”四字：积指像棉花一样堆积起来的云;层指像一层灰沙一样满布天空的云;卷指像一缕缕卷发一样的云;雨则是会带来降雨的云。

笔者曾在1975年前后速写了春夏秋冬一年的淡彩云图作为素材，现分类型介绍其中几幅。第一幅中高积云常呈小云团块出现（这幅画描绘的是临近傍晚的高积云。高的层积云中有一个变种，小云块之间存在缝隙，这叫漏光云，这种云容易跟中云族中的高积云混淆。但层积云通常形态不规则，且小云块更大）;第二幅中积云呈棉絮状，云底平坦，总在晴朗的日子慢悠悠地从天上飘过;在第三幅中，雾有时会被认为是地面的层云，但实际上它们的形成方式与层云截然不同;第四幅则为多种类型云层的复合叠加图景——其中含有高积云和层积云等。

地球中纬度地区云层的典型高度绘图示意

如果你没有看到过积云，那真应该多出去走走。这种云属于低云族（云底高度低于2000米），并且是云彩中最容易看到的一种类型。积云是好天气的象征，通常形成于天亮后的几个小时，往往在日落之前便会消散，这是因为积云形成于上升暖气流上——当地表空气被太阳加热之后会上升，形成我们看不见的透明气柱。

笔者创作的云图淡彩素描画

爱舍尔早期版画作品

大多数的积云都不会生成雨或雪，但在不稳定空气中，它明亮清晰的花椰菜形态会向上生长，所以它们的云种能从小小的淡积云发展成中积云，再发展成最大的积云形式——浓积云。有了不祥的暗黑云底之后，这种云就不再代表好天气了。浓积云会造成短时大雨，还会继续发展成为导致暴风雨到来的、凶猛的积雨云。上图是荷兰图形艺术大师爱舍尔所作的一幅说明地球上庞大的水循环有形相变的画作：大自然一些表象上的多样性是通过各种相变来实现的，其本质不变，如大气环流中水的气、液、固体三态随温度变化而变化。

云彩的科学与艺术

爱默生说过：“自然是一朵多变的云，始终一样，却又从不一样。”这道出了云作为一种可见大气现象与自然本质的关系。我们经常听到想象力丰富的小朋友喊道“天空的云儿像xx”，其实这些感觉都基于云彩的变化多端，但各种云的本质仍然是大气中的水蒸气遇冷液化成小水滴或凝华成小冰晶并混合而成的飘浮聚合物。也有些云彩是由它们导致的光学现象而在人们脑海中记忆犹新，比如多年前，笔者曾在一个初夏的傍晚，抓拍到了一幅云彩在太阳落山后的西天方向形成一只展翅飞翔的大雁形象。

西方很早就有人在做云彩图景“收集”工作，其中比较有代表性的组织是英国的赏云协会，据说至今全球各地加入该组织的人数达40000之多。该协会的会长加文·普雷特-平尼是英国知名记者，因为喜欢看云，也喜欢钻研云彩相关的知识而成立了该协会。这个协会在2017年成就了一项重大业绩：当年3月23日世界气象日，世界气象组织正式承认了赏云协会提出的一种新的云彩类型——糙面云，并在当时《国际云图》上在线公布，那年的世界气象日主题也由此被定为观云识天。

科学家借助卫星云图等技术为我们讲述关于云和天气的故事，而在艺术家那里，云又有另外一番情景。比如，祥云是象征祥瑞的云气，传说中它是神仙所驾的云彩。北京奥运会火炬传递的火炬体身上就刻有祥云的图案，其图形结构表明它是低云族中的积云，是作为风和日丽好天气的祝福与象征。

梦幻般的云科学

由于云彩的特性及其光学图景千变万化、神秘莫测，因此它给人们带来了巨大的想象空间。例如，由云所产生的光学现象就有虹彩云、华、曙暮光条、宝光、彩虹、云虹、22度晕、幻日、环天顶弧、日柱等等。而漫画具有夸张和幽默的艺术特征，所以，云又被漫画家的创作所利用。尽管漫画有夸大其词之感，但有些夸张却是基于科学道理之上的，如下面两幅含有云元素的画作：《紧急救援》说明了雨层云在一定动力机制下是可移动的（如夏日不稳定天气所造成的暴风雨）;《天然起重机》则说明云不但自身具有浮力（比重较相邻空气为轻），同时还可“载物”——就像人造的飞艇一般。

凡·高等西方著名印象派画家的风景画中经常出现大片的云天，比如他的名作《星空》中所画的云朵似乎都出于他的主观创造，有时甚至体现了画家个人的心理作用。在他的画作中，天空上的云仿佛就是他脑海中的思绪或精神上的变化无常。因此，他在画中的云尽管没有什么典型科学图景的参照，但却也为其心理学表现腾出了空间。

凡·高画作中天空上的云仿佛就是他脑海中的思绪万千和变化无常

再来看看国内，中国古今的山水画家们中也是运用云图的高手，他们让留白的、带有神秘感的云雾将画面笼罩，使云在山水画中大有用武之地。这些写意性浓烈的画作表面看起来具有仙境般的想象，但却遵从了自然科学。比如，右面这幅清代大画家石涛的山水画就很特别：人生时空的表达在画中得到了充分且科学的体现，除了符合自然社会规律的“人往高处走，水往低处流”的动感外，占据画面主体、发端于流水的飞云不但诠释了水的相变和大气环流科学知识，同时也反映了石涛“浪迹天涯，云游四方”的动态人生。

关于云的描绘与传说图景不胜枚举，它变化多端而又无数的象形图景曾给诗人和画家带来无尽的想象，也给物理学家和气象学家等科学家带来发现的灵感。所以，当代青少年切莫把視线仅仅局限于虚拟的电子屏幕，它代替不了真实而丰富的大自然给我们的馈赠，让我们将神圣的好奇心用于自然的科学与艺术吧！

（责任编辑 / 岳萌  美术编辑 / 张志浩 ）