“三借芭蕉扇”的氣象學解讀

小說《西游記》第五十九回至第六十一回講述了孫悟空三借芭蕉扇的故事。在這個經典故事中，火焰山的八百里大火阻礙了師徒四人的西行取經之路，只有鐵扇公主的芭蕉扇才能撲滅火焰。為了助唐僧穿過火焰山，孫悟空前往翠云山向鐵扇公主借扇。由于孫悟空曾經和觀音菩薩將鐵扇公主的孩子——紅孩兒降服，結下了冤仇，鐵扇公主哪里肯借扇子。孫悟空只能與鐵扇公主斗智斗勇，經過三次交手才借到芭蕉扇，降下大雨，熄滅了火焰山的大火。

問題來了：鐵扇公主的芭蕉扇有何能耐？為何能將火焰山的八百里大火熄滅呢？

天上的云怎樣變成雨

我們周圍的空氣中或多或少都含有水蒸氣，即水汽。我們把含有水汽的空氣稱為濕空氣。在一定的溫度和壓力條件下，空氣中所含水汽達到最大限度時，空氣濕度就處于飽和狀態(tài)。當空氣濕度從不飽和狀態(tài)達到飽和狀態(tài)時，其中的氣態(tài)分子會凝結成液態(tài)粒子或者凝華成固態(tài)粒子。這些液態(tài)粒子（如小水滴、過冷水滴）和固態(tài)粒子（如冰晶）或它們的混合物聚集在一起，懸浮在空中，就是我們見到的云。

如何讓空氣中的水蒸氣達到飽和變成云呢？一般來說，有兩個途徑：一是增濕，即增加空氣中的水汽含量；二是降溫，大自然中的云霧主要是通過降溫過程形成的。在這個過程中，還必須有大量氣溶膠粒子充當云凝結核，因為單純依靠水汽自身凝結或凝華很難形成云。因此，充足的水汽、降溫和大量的云凝結核是云（霧）生成的必要條件。

不過，有了云并不意味著一定會出現(xiàn)降水，自然界中九成以上的云不會產生降水。如果想讓云中的水汽轉化為降水落到地面，必須讓云滴或冰晶持續(xù)長大成為雨滴、雪花、霰或冰雹等較大的降水粒子。

什么是云滴呢？氣象學上，通常把半徑小于100微米的水滴稱為云滴，把半徑大于100微米的水滴稱為雨滴。典型云滴的半徑約為10微米，比一根頭發(fā)絲的半徑還??；典型雨滴的半徑約為1000微米，是云滴的100倍左右。因此，大約100萬個云滴聚集在一起，才能形成1個典型的雨滴。

云滴如何在較短的時間內長成一個雨滴落到地面呢？其中涉及非常復雜的物理過程。在人工影響天氣領域，我們將自然界的云按照云內溫度的不同分為冷云、暖云和混合云。所謂冷云，就是云內溫度全部在0℃以下的云，這種云主要由冰晶和過冷水滴組成。所謂暖云，就是云內溫度全部在0℃以上的云，這種云主要由小水滴組成。如果云內既有高于0℃的區(qū)域，也有低于0℃的區(qū)域，這種云就是混合云，混合云中既有冰晶和過冷水滴，也有很多小水滴。

碰并與繁生——暖云降水的秘密

暖云中雖然只有小水滴，但這些水滴大小不一、分布不均，在重力、空氣浮力和阻力的共同作用下，大水滴下落的速度往往比小水滴下落的速度快。這些速度較快的大水滴在下落過程中會與速度較慢的小水滴發(fā)生碰撞與并合，即碰并，從而使得大水滴進一步增大，下落速度也隨之加快，進而增加了它們的碰并機會和生長速度。

研究人員發(fā)現(xiàn)，如果云中存在半徑大于25微米的小水滴，很容易誘發(fā)上述的重力碰并過程，形成初始的雨滴。由于大雨滴的下落末速度比云滴快，在雨滴下落的過程中可以把附近的云滴全部碰并進去，使雨滴增大；而且，雨滴越大，單位時間內碰并的云滴越多，其增大的速度也更快。

在雨滴碰撞的過程中，除了并合，還有可能發(fā)生破碎，變成多個較小的水滴。特別是當雨滴增大到一定尺度后，即使沒有碰到其他水滴，也會因空氣的阻力發(fā)生形變，并在變形到一定階段后破碎成較小的雨滴。這些新生水滴會繼續(xù)引發(fā)碰并機制，進而形成更多的雨滴。上述過程被稱為雨滴的“繁生”。

在“碰并”和“繁生”的共同作用下，暖云會在很短的時間內產生降水。

貝吉龍過程

——冷云中雨滴長大的真相

冷云中存在著溫度低于0℃的冰晶和依然保持液態(tài)的過冷水滴。這些冰晶可能由水滴凍結后形成，或者少數在特殊的冰核上由水汽直接凝華形成。由于在相同溫度下，水面的飽和水汽壓總是大于冰面的飽和水汽壓，如果云中出現(xiàn)大量過冷水滴和冰晶，云中的水汽壓會自動調整到相對于水面不飽和但對于冰面是過飽和的狀態(tài)。此時，水滴表面會因為蒸發(fā)產生水汽，這些水汽在冰晶粒子表面凝華，使得冰晶快速增大，直到水滴被消耗殆盡，我們把這個過程稱為“貝吉龍過程”。貝吉龍是瑞典氣象學家，他于19世紀二三十年代首先發(fā)現(xiàn)了冷云中過冷水滴和小冰晶轉化的真相，因此后人把這一“冰—水轉化”過程稱為“貝吉龍過程”。

冷云中的冰晶長大到一定程度就變?yōu)檠┗āＴ谘┗ǖ袈溥^程中，如果環(huán)境溫度一直低于0℃，我們就能欣賞到美麗的雪景；如果環(huán)境溫度長時間高于0℃，雪花會融化成雨滴，落到地面。如果雪花在降落過程中，先經過較厚的暖層發(fā)生融化，變?yōu)橛甑?，并在接近地面時遇到較冷的空氣層發(fā)生降溫，由于此時雨滴尚未凍結，就會以過冷卻雨滴的形態(tài)到達地面，這就是貴州、湖南等地冬天常出現(xiàn)的凍雨。如果雪花先經過較薄的暖層，而后再經過較厚的冷層，往往會形成雨夾雪天氣。

知道了暖云和冷云成云致雨的秘密，我們也就明白了混合云降水的道理：在冷云部分，冰晶粒子先通過貝吉龍過程長大，然后落到暖云部分，通過“碰并”或“繁生”過程持續(xù)增長。

芭蕉扇滅火大揭秘

在小說《西游記》中，鐵扇公主的芭蕉扇有兩個特點。第一個特點是扇出的風特別大。鐵扇公主用此扇居然把法力無邊的孫悟空扇飛了5萬多里。能夠扇出如此大的風的扇子，當然能夠輕松地將火焰山附近的空氣吹走，熄滅大火。第二個特點就是扇出的風是“陰風”——包含大量冷濕空氣的風。書中描寫：“孫大圣執(zhí)著扇子，行近山邊，盡氣力揮了一扇，那火焰山平平息焰，寂寂除光?！边@段描述用氣象學知識解讀就是，芭蕉扇扇出的冷濕空氣與火焰山周圍的暖空氣相遇，吸收了大量熱量，給火焰山降了溫。書中接著描寫：“行者喜喜歡歡，又扇一扇，只聞得習習瀟瀟，清風微動?！边@段描述用氣象學知識解讀就是，芭蕉扇帶來的大量水汽被加熱上升，冷卻成云，加上陰風本身攜帶的冷空氣，令人舒爽。最后的第三扇帶來“滿天云漠漠，細雨落霏霏”。這段描述用氣象學知識解讀就是，滿天云彩，產生了降水——很可能是暖云降水或者混合云降水；只是由于火焰山當地的水汽條件不太理想，所以只下了小雨。如果連續(xù)扇風，則可能為降水提供更多的水汽，出現(xiàn)“望山頭連扇四十九扇，那山上大雨淙淙”的現(xiàn)象。

《西游記》中“三借芭蕉扇”的故事跌宕起伏，扣人心弦。在了解了暖云和冷云的成雨機制后，我們從科學的角度再次品讀這個故事，會另有一番不同的感受。

（繼晶摘自《百科知識》2025年第11期）