貝母雲

生活科學趣談

10年最強寒流 冷空氣侷限北極蓄能量 – 中央社發布於2016年1月21日

今天來聊聊氣象局預報中心主任鄭明典在新聞中所提及的「貝母雲」,顧名思義,其名稱由來就是因為它具有貝母的虹彩光澤

NacreousClouds1

貝母雲(Polar stratospheric cloud)較常見於南極的平流層高空,出現在挪威北部確屬罕見

通常平流層中的水氣非常稀少而很難形成雲(ex. 飛機在白天飛在平流層時都是晴空萬里),不過鋒面系統或氣流越過高山會產生重力波,由於波動傳達到更稀薄的上方空氣時其振幅會增大,這就如同中學物理課的繩波傳遞實驗,當波動由重繩傳抵輕繩後,其透射波的振幅會變大。

在《On the physics of stratospheric (nacreous) cloud formation》這篇論文中, 以1971年1月10日在蘇格蘭的貝母雲觀測資料為例,在25公里高空處的水氣混合比 2×10-6克水/每克空氣,其若要形成貝母雲,那麼重力波抵達該處的振幅就必須要高達3公里以上,這樣才能藉由絕熱膨脹效應將該處溫度冷卻至霜點-91℃以下,在平流層要產生這麼大的重力波振幅似乎令人難以信服。不過於1971年1月17日在科羅拉多​​州洛磯山脈上空以飛機所測得的氣象資料顯示,在100毫巴高度(16公里)竟然測到比該高度均溫低了 8°C的 -81°C,至此貝母雲的重力波形成機制得到了有利的支持證據。

NacreousClouds3

NacreousClouds4

在平流層的風向是與地面平行,因此貝母雲的型態就會被拉伸形成片狀。至於貝母雲為何不會出現在中低緯度?其中一個因素是對流層的厚度,因為地球自轉的離心效應與接受太陽輻射能的緯度差異性,對流層在赤道的厚度可達 17 公里,在極區的厚度卻僅約 7 公里。另一個更重要的因素則是溫度,由於在50毫巴高空(約20公里)的氣溫須低於 -85°C才能形成冰晶(高於此溫度則呈現水蒸汽的形態),低緯度地區在這個高度的平流層溫度僅約-56°C,溫度差太多所以無法形成貝母雲。縱使如此,在極區要形成貝母雲也是很罕見,北極則更難,因為北極年均溫比南極高約20度,而且不像南極大陸有座高約5000公尺的Mt. Vinson,因此難以藉由氣流越過高山來產生重力波。

結論:北極出現貝母雲除了導因於今年極區特別寒冷的因素之外,上空的平流層含有較多的水氣也是原因之一,這可能是全球暖化所造成。

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