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雨的形成源于地球上的水循环。地球上的水以三种状态存在:固体的冰、液体的水和气体的水蒸气。在太阳能量的作用下,地表的液态水不断蒸发,变成水蒸气上升到大气中。这个蒸发过程是整个水循环和降雨形成的起点。
太阳辐射是蒸发的主要动力。当太阳光照射到地表水体时,水分子吸收热能,运动加剧。当水分子获得足够的动能时,就能克服分子间的作用力,从液态转变为气态。蒸发主要发生在海洋、湖泊、河流等水体表面。由于水蒸气的密度比空气小,它会在热气流的推动下不断上升到大气中。
当水蒸气上升到高空时,由于海拔升高,温度逐渐下降。当温度降到露点以下时,水蒸气开始凝结。凝结过程需要凝结核,如尘埃、花粉、海盐等微小颗粒作为凝结中心。水蒸气围绕这些凝结核凝结成微小的水滴,无数个小水滴聚集在一起就形成了云。根据形成条件和高度的不同,会产生不同类型的云,如垂直发展的积云、水平分布的层云,以及高空的卷云。
云中的小水滴要变成雨滴,需要通过两种主要机制长大。第一种是碰撞聚合过程,大小不同的水滴在云中运动时,大水滴下降速度快,会追上并吞并小水滴,越来越大。第二种是冰晶过程,在高空的混合云中,冰晶和过冷水滴共存,由于冰面的饱和水汽压比水面低,水蒸气会从过冷水滴转移到冰晶上,使冰晶快速长大,最后下降时融化成雨滴。
当雨滴在云中长大到足够重量时,重力作用超过空气阻力,雨滴开始下降形成降雨。降雨的形成受到多种因素影响,包括温度、湿度、气压、风向等。完整的水循环过程是:太阳加热地表水体产生蒸发,水蒸气上升到高空遇冷凝结形成云,云中小水滴聚合长大成雨滴,最后降落到地面形成降雨,雨水通过地表径流重新汇集到水体中,继续下一轮循环。这个不断循环的过程维持着地球上水资源的更新和分配,是地球生态系统的重要组成部分。