2022年04月13日 10:59 環球科學 從硬幣大小、雞蛋大小到網球大小、排球大小……原本罕見的大型冰雹出現得更加頻繁,也帶來了更多的威脅。 翻譯 | 魏書豪 審校 | 二七 2021年7月21日,正值英國的盛夏,熱浪襲擊了整個國家。 在英格蘭中部的萊斯特郡,孩子們正在遊泳池裏玩耍納涼,享受美好的假期時光。 然而天色突然暗了下來。 沒過多久,高爾夫球大小的冰雹從天而降,砸碎了窗戶,砸壞了汽車。 花園裏幾分鐘前還擠滿了沐浴著陽光的人們,現在卻被冰雹砸得一片狼藉。 這樣的強冰雹降水天氣被稱為「雹暴」(hailstorm),與高空雲層內出現的強烈上升氣流有關。 盡管非常少見,但這場雹暴還不是最猛烈的。 2020年6月,一場雹暴襲擊了加拿大卡爾加裏,網球大小的冰雹砸向地面,造成了至少7萬所房屋和車輛受損,摧毀了大量農作物,當地面臨12億加元的修複費用。 這場持續20分鐘的冰雹是加拿大損失最慘重的天氣事件之一。 冰雹可以砸破車輛擋風玻璃(圖片來源:NOAA National Severe Storms Laboratory) 氣候變化正在讓雹暴變得越來越嚴重。 在過去3年間,美國得克薩斯州、科羅拉多州和亞拉巴馬州的最大冰雹記錄全都被打破了,最大的冰雹直徑達到了16厘米。 2020年,利比亞首都的黎波裏遭到直徑近18厘米的冰雹襲擊。 「洋蔥冰雹」 冰雹是水滴在積雨雲中形成的。 上升氣流將雲層下部的水滴帶到雲的中上層,這裏空氣冷到足以使水滴凝固,變成小冰晶。 這些小冰晶又被稱為冰雹胚胎,當冰雹胚胎在雲層中隨氣流升降運動時,空氣中的水分會凍結在外部,冰雹就這樣一層一層「長」了出來,形成了洋蔥狀的結構。 冰雹內部的「洋蔥」結構(圖片來源:ERZ/wikipedia) 冰雹的生長速度取決於空氣中的含水量。 它會持續生長,直到上升氣流不再能使其飄浮在高空為止。 根據美國海洋和大氣管理局(NOAA)的數據,時速103千米的上升氣流就能產生高爾夫球大小的冰雹,如果氣流速度再提高27%,就會產生棒球大小的冰雹(不過冰雹的大小並不總是與其重量直接相關,我們稍後會談到)。 一般來說,更潮濕的空氣和更強大的上升氣流會形成更大的冰雹。 朱利安·布賴姆洛(Julian Brimelow)是加拿大環境與氣候變化部(Environment and Climate Change Canada)的物理科學專家,他研究了氣候變化如何影響冰雹的形成。 他說,產生直徑超過25毫米的冰雹需要一系列特定的條件,包括足夠的水分、強大的上升氣流和一個「觸發因素」——通常是一個鋒面。 這就是為什麼嚴重的冰雹天氣通常只會在特定地區發生,如美國的大平原(the Great Plains)和澳大利亞的黃金海岸(Gold Coast)。 這類區域的典型特點是,近地表的空氣溫暖潮濕,但高層大氣涼爽幹燥。 在這種不穩定的大氣條件下,更容易出現強烈的上升氣流和雷暴。 這些地方特別容易出現一種被稱為「超級單體」(supercell)的雷暴,這種雷暴可以產生強大的旋轉上升氣流,從而形成非常大的冰雹。 圖片來源:NWS Aberdeen, SD 但是隨著氣候變化,空氣中的水分含量也在變化。 溫暖的空氣可以容納更多的水蒸氣,而更高的溫度也意味著會有更多的水從地球表面蒸發,這很可能會帶來更強的降雨和更猛烈的風暴。 「隨著全球繼續變暖,有利於冰雹形成的地區可能會發生變化,」布賴姆洛說。 「比如一些地區可能過去由於大氣含水量不夠高,因此很少出現冰雹。 但現在可能會變得更加潮濕,因此冰雹天氣的出現頻率可能會增加。 」 結合已有數據和氣候模型,研究人員認為,冰雹在澳大利亞和歐洲將變得更加頻繁,但在亞洲東部和北美將會減少。 然而冰雹天氣往往會變得更具破壞性。 布賴姆洛和同事的另一項研究,關注了氣候變化會如何影響北美地區的冰雹。 他們發現,盡管冰雹天氣可能會變得沒那麼頻繁,但冰雹很可能會變得更大。 「事實上,我們已經看到了證據。 」布賴姆洛說,「在法國收集的冰雹數據顯示,當地的小冰雹減少,大冰雹增多了。 」 圖片來源:National Weather Service, Goodland Forecast Office 反擊冰雹 顯然,冰雹帶來的經濟損失也很可能會增加。 在預計會遭受冰雹破壞的地區,修建的建築物需要達到抗冰雹等級。 另外,還有一些地區會主動「攻擊」冰雹,他們甚至會用到大炮和火箭。 19世紀90年代,歐洲多地的葡萄園都部署了「冰雹炮」(hail cannon)。 這些冰雹炮看起來像是一個大喇叭,直直沖著天上,試圖利用爆炸的強大沖擊波來驅散雲層,防止冰雹降落砸壞葡萄。 然而20世紀,意大利政府進行了廣泛的調查研究並得出結論——冰雹炮並沒有作用。 不過,一些歐洲葡萄園仍然在使用冰雹炮。 在格魯吉亞,政府專門部署了85個防冰雹導彈系統。 當氣象雷達探測到可能形成冰雹的冰雹雲時,就會發射攜帶碘化銀催化劑的火箭,產生大量的人工冰雹胚胎。 過量的冰雹胚胎會相互競爭水分,最終全部無法充分「成長」成大冰雹。 據稱這套防冰雹系統有效性超過90%,但實際效果還有待驗證。 冰雹炮(圖片來源:Etan J。 Tal/Wikipedia) 冰雹的破壞力 目前評估抗冰雹能力的方法是用發射器發射金屬球,來模擬冰雹的沖擊。 然而冰雹的尺寸與其破壞力的關系非常複雜。 2020年,一項研究就探索了為什麼大冰雹的破壞力能遠遠超過預期。 在冰雹形成的過程中,空氣的溫度和濕度會影響它的密度。 比如,在非常冷的空氣中,水蒸氣一碰到冰雹就會結冰,但這樣凝結出來的冰會「捕捉」大量空氣;但如果空氣溫度偏高,或濕度偏大,水分凝固速度較慢,給空氣留出了逃脫的時間,就能形成空氣含量更低、更致密的冰雹。 一般來說,小尺寸的冰雹會混合大量的空氣,密度只有純冰的一半。 由於密度較低,在形成後它往往不會直接降落到地面,而是會在大氣中持續起伏和成長,直到形成致密的外層。 圖片來源:NOAA National Severe Storms Laboratory 2003年,美國內布拉斯加州奧羅拉市發生了一場冰雹。 研究者采集了一塊直徑17厘米的大冰雹,發現它的核心像是海綿一樣充滿了空氣,而外層是致密的透明冰層。 研究者估計,如果這塊冰雹是由純冰制成的,那麼應該重約2.5千克,但是由於內層的密度較低,它只有500克重。 冰雹的密度也會影響它的下落速度。 冰雹越重,單位重量受到的阻力就越小,下落速度也就越快。 根據布賴姆洛的計算,直徑小於25毫米的冰雹的下落速度通常在11~22米/秒,而直徑25~45毫米的冰雹下落速度約22~29米/秒。 有記錄以來最重的冰雹出現在1986年孟加拉國的Gopalganj地區,重達1.02千克。 當時的報道稱,這場冰雹造成了40人死亡,400人受傷。 但後來的追蹤報道顯示,可能有多達92人喪生。 想要估計冰雹的下落速度也很複雜,過去的研究往往將冰雹近似成球形,然而最近的研究表明,冰雹更像是橄欖球形,這樣下落時會受到更大的空氣阻力。 同時,隨著冰雹的體積增大,它們的形狀也會變得更不均勻,這也會影響它們的空氣動力學特性。 即使解決了下降速度的問題,冰雹擊中物體的速度和下降的速度也是不一樣的。 比如,冰雹的速度可能存在水平分量。 最具破壞性的冰雹事件是下擊暴流帶來的冰雹。 下擊暴流由強大的下沉氣流驅動(空氣從快速下降,撞擊地面時向外擴散,能產生非常高的風速),作用範圍通常只有幾千米直徑的區域,只能持續幾分鐘,但風速可達70-80米/秒,並且經常伴有冰雹。 被冰雹破壞的建築物牆面(圖片來源:NOAA National Severe Storms Laboratory) 在強風吹動下,巨大的冰雹能夠穿透屋頂瓦片,打碎車窗玻璃,甚至能對飛機構成威脅。 2006年6月9日,一架客機在韓國空域遭遇了一場強冰雹,冰雹砸掉了雷達罩(機頭保護雷達的結構),摧毀了雷達,還撞擊了機翼邊緣。 雷達罩的一部分被發動機吸入,損壞了發動機。 幸運的是,飛機最終成功安全著陸了。 近年來,大型冰雹帶來的災害記錄一直在增加。 2018年,阿根廷的Villa Carlos Paz鎮遭到了前所未有的冰雹襲擊,一些冰雹的直徑達18厘米,據稱還有冰雹直徑可能達到了23.7厘米。 去年4月,在美國得克薩斯州的一場風暴後,人們收集到一塊直徑16厘米、重590克的冰雹。 冰雹被保存在冰箱裏,後來被確認為該州的新紀錄。 但是冰雹能變大到什麼程度呢?賓夕法尼亞州立大學的氣象學家馬修·庫姆吉安(Matthew Kumjian)基於統計數據和模型,估計最大的冰雹直徑可能為27厘米或「保齡球大小」。 庫姆吉安表示,形成如此大的冰雹所需的要素(強大的上升氣流、大量過冷液態水和在冷空氣中停留大量時間)已經存在。 然而目前還沒有這麼大冰雹的記錄。 「強‘超級單體’雷暴已經將這些因素聚集在一起了,如今,最強的風暴可能會產生超大冰雹,」庫姆吉安說。 也有人試圖預測特定風暴可能產生的冰雹大小,但預測結果都不理想。 正如布賴姆洛指出的,想要准確預測冰雹,還有很長的路要走。 但我們能確定的是,這些「大麻煩」很可能還會繼續向我們砸來。 《天上掉下排球大小的冰雹,地面決定架導彈來防》完,請繼續朗讀精采文章。 喜歡 科學報 cn-n.net,請記得按讚、收藏及分享。
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天上掉下排球大小的冰雹,地面決定架導彈來防
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