天上掉下排球大小的冰雹，地面决定架导弹来防

环球科学中科院物理所 2022-05-17

图片来源：pixabay

从硬币大小、鸡蛋大小到网球大小、排球大小……原本罕见的大型冰雹出现得更加频繁，也带来了更多的威胁。

2021年7月21日，正值英国的盛夏，热浪袭击了整个国家。在英格兰中部的莱斯特郡，孩子们正在游泳池里玩耍纳凉，享受美好的假期时光。然而天色突然暗了下来。没过多久，高尔夫球大小的冰雹从天而降，砸碎了窗户，砸坏了汽车。花园里几分钟前还挤满了沐浴着阳光的人们，现在却被冰雹砸得一片狼藉。

这样的强冰雹降水天气被称为“雹暴”（hailstorm），与高空云层内出现的强烈上升气流有关。尽管非常少见，但这场雹暴还不是最猛烈的。2020年6月，一场雹暴袭击了加拿大卡尔加里，网球大小的冰雹砸向地面，造成了至少7万所房屋和车辆受损，摧毁了大量农作物，当地面临12亿加元的修复费用。这场持续20分钟的冰雹是加拿大损失最惨重的天气事件之一。

冰雹可以砸破车辆挡风玻璃（图片来源：NOAA National Severe Storms Laboratory）

气候变化正在让雹暴变得越来越严重。在过去3年间，美国得克萨斯州、科罗拉多州和亚拉巴马州的最大冰雹记录全都被打破了，最大的冰雹直径达到了16厘米。2020年，利比亚首都的黎波里遭到直径近18厘米的冰雹袭击。

“洋葱冰雹”

冰雹是水滴在积雨云中形成的。上升气流将云层下部的水滴带到云的中上层，这里空气冷到足以使水滴凝固，变成小冰晶。这些小冰晶又被称为冰雹胚胎，当冰雹胚胎在云层中随气流升降运动时，空气中的水分会冻结在外部，冰雹就这样一层一层“长”了出来，形成了洋葱状的结构。

冰雹内部的“洋葱”结构（图片来源：ERZ/wikipedia）

冰雹的生长速度取决于空气中的含水量。它会持续生长，直到上升气流不再能使其飘浮在高空为止。根据美国海洋和大气管理局（NOAA）的数据，时速103千米的上升气流就能产生高尔夫球大小的冰雹，如果气流速度再提高27%，就会产生棒球大小的冰雹（不过冰雹的大小并不总是与其重量直接相关，我们稍后会谈到）。一般来说，更潮湿的空气和更强大的上升气流会形成更大的冰雹。

朱利安·布赖姆洛（Julian Brimelow）是加拿大环境与气候变化部（Environment and Climate Change Canada）的物理科学专家，他研究了气候变化如何影响冰雹的形成。他说，产生直径超过25毫米的冰雹需要一系列特定的条件，包括足够的水分、强大的上升气流和一个“触发因素”——通常是一个锋面。这就是为什么严重的冰雹天气通常只会在特定地区发生，如美国的大平原（the Great Plains）和澳大利亚的黄金海岸（Gold Coast）。这类区域的典型特点是，近地表的空气温暖潮湿，但高层大气凉爽干燥。在这种不稳定的大气条件下，更容易出现强烈的上升气流和雷暴。这些地方特别容易出现一种被称为“超级单体”（supercell）的雷暴，这种雷暴可以产生强大的旋转上升气流，从而形成非常大的冰雹。

图片来源：NWS Aberdeen, SD

但是随着气候变化，空气中的水分含量也在变化。温暖的空气可以容纳更多的水蒸气，而更高的温度也意味着会有更多的水从地球表面蒸发，这很可能会带来更强的降雨和更猛烈的风暴。

“随着全球继续变暖，有利于冰雹形成的地区可能会发生变化，”布赖姆洛说。“比如一些地区可能过去由于大气含水量不够高，因此很少出现冰雹。但现在可能会变得更加潮湿，因此冰雹天气的出现频率可能会增加。”

结合已有数据和气候模型，研究人员认为，冰雹在澳大利亚和欧洲将变得更加频繁，但在亚洲东部和北美将会减少。然而冰雹天气往往会变得更具破坏性。

布赖姆洛和同事的另一项研究，关注了气候变化会如何影响北美地区的冰雹。他们发现，尽管冰雹天气可能会变得没那么频繁，但冰雹很可能会变得更大。“事实上，我们已经看到了证据。”布赖姆洛说，“在法国收集的冰雹数据显示，当地的小冰雹减少，大冰雹增多了。”

图片来源：National Weather Service, Goodland Forecast Office

反击冰雹

显然，冰雹带来的经济损失也很可能会增加。在预计会遭受冰雹破坏的地区，修建的建筑物需要达到抗冰雹等级。另外，还有一些地区会主动“攻击”冰雹，他们甚至会用到大炮和火箭。

19世纪90年代，欧洲多地的葡萄园都部署了“冰雹炮”（hail cannon）。这些冰雹炮看起来像是一个大喇叭，直直冲着天上，试图利用爆炸的强大冲击波来驱散云层，防止冰雹降落砸坏葡萄。然而20世纪，意大利政府进行了广泛的调查研究并得出结论——冰雹炮并没有作用。不过，一些欧洲葡萄园仍然在使用冰雹炮。

在格鲁吉亚，政府专门部署了85个防冰雹导弹系统。当气象雷达探测到可能形成冰雹的冰雹云时，就会发射携带碘化银催化剂的火箭，产生大量的人工冰雹胚胎。过量的冰雹胚胎会相互竞争水分，最终全部无法充分“成长”成大冰雹。据称这套防冰雹系统有效性超过90%，但实际效果还有待验证。

冰雹炮（图片来源：Etan J. Tal/Wikipedia）

冰雹的破坏力

目前评估抗冰雹能力的方法是用发射器发射金属球，来模拟冰雹的冲击。然而冰雹的尺寸与其破坏力的关系非常复杂。2020年，一项研究就探索了为什么大冰雹的破坏力能远远超过预期。

在冰雹形成的过程中，空气的温度和湿度会影响它的密度。比如，在非常冷的空气中，水蒸气一碰到冰雹就会结冰，但这样凝结出来的冰会“捕捉”大量空气；但如果空气温度偏高，或湿度偏大，水分凝固速度较慢，给空气留出了逃脱的时间，就能形成空气含量更低、更致密的冰雹。

一般来说，小尺寸的冰雹会混合大量的空气，密度只有纯冰的一半。由于密度较低，在形成后它往往不会直接降落到地面，而是会在大气中持续起伏和成长，直到形成致密的外层。

图片来源：NOAA National Severe Storms Laboratory

2003年，美国内布拉斯加州奥罗拉市发生了一场冰雹。研究者采集了一块直径17厘米的大冰雹，发现它的核心像是海绵一样充满了空气，而外层是致密的透明冰层。研究者估计，如果这块冰雹是由纯冰制成的，那么应该重约2.5千克，但是由于内层的密度较低，它只有500克重。

冰雹的密度也会影响它的下落速度。冰雹越重，单位重量受到的阻力就越小，下落速度也就越快。根据布赖姆洛的计算，直径小于25毫米的冰雹的下落速度通常在11~22米/秒，而直径25~45毫米的冰雹下落速度约22~29米/秒。有记录以来最重的冰雹出现在1986年孟加拉国的Gopalganj地区，重达1.02千克。当时的报道称，这场冰雹造成了40人死亡，400人受伤。但后来的追踪报道显示，可能有多达92人丧生。

想要估计冰雹的下落速度也很复杂，过去的研究往往将冰雹近似成球形，然而最近的研究表明，冰雹更像是橄榄球形，这样下落时会受到更大的空气阻力。同时，随着冰雹的体积增大，它们的形状也会变得更不均匀，这也会影响它们的空气动力学特性。

即使解决了下降速度的问题，冰雹击中物体的速度和下降的速度也是不一样的。比如，冰雹的速度可能存在水平分量。最具破坏性的冰雹事件是下击暴流带来的冰雹。下击暴流由强大的下沉气流驱动（空气从快速下降，撞击地面时向外扩散，能产生非常高的风速），作用范围通常只有几千米直径的区域，只能持续几分钟，但风速可达70-80米/秒，并且经常伴有冰雹。

被冰雹破坏的建筑物墙面（图片来源：NOAA National Severe Storms Laboratory）

在强风吹动下，巨大的冰雹能够穿透屋顶瓦片，打碎车窗玻璃，甚至能对飞机构成威胁。2006年6月9日，一架客机在韩国空域遭遇了一场强冰雹，冰雹砸掉了雷达罩(机头保护雷达的结构)，摧毁了雷达，还撞击了机翼边缘。雷达罩的一部分被发动机吸入，损坏了发动机。幸运的是，飞机最终成功安全着陆了。

近年来，大型冰雹带来的灾害记录一直在增加。2018年，阿根廷的Villa Carlos Paz镇遭到了前所未有的冰雹袭击，一些冰雹的直径达18厘米，据称还有冰雹直径可能达到了23.7厘米。去年4月，在美国得克萨斯州的一场风暴后，人们收集到一块直径16厘米、重590克的冰雹。冰雹被保存在冰箱里，后来被确认为该州的新纪录。

但是冰雹能变大到什么程度呢？宾夕法尼亚州立大学的气象学家马修·库姆吉安（Matthew Kumjian）基于统计数据和模型，估计最大的冰雹直径可能为27厘米或“保龄球大小”。库姆吉安表示，形成如此大的冰雹所需的要素（强大的上升气流、大量过冷液态水和在冷空气中停留大量时间）已经存在。然而目前还没有这么大冰雹的记录。“强‘超级单体’雷暴已经将这些因素聚集在一起了，如今，最强的风暴可能会产生超大冰雹，”库姆吉安说。

也有人试图预测特定风暴可能产生的冰雹大小，但预测结果都不理想。正如布赖姆洛指出的，想要准确预测冰雹，还有很长的路要走。但我们能确定的是，这些“大麻烦”很可能还会继续向我们砸来。

原文链接：

https://www.bbc.com/future/article/20220314-how-big-can-hailstones-grow

翻译 | 魏书豪

审校 | 二七

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来源：环球科学

编辑：藏痴

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