原理：瑞利·貝納德對流Rayleigh·Bénard convection,泛指一種型別自然對流。這類對流常發生在底部受熱層流體面上。發生對流流體在表面形成、具有規則狀的對流單體，叫做貝納德原胞Bénard cell，其理論研究已由實驗驗證可行。而且瑞利·貝納德對流，是被研究得最多的對流現象之一。對流形成的圖案，是在自發組織的非線性系統中被測試得最精細的特例。在物理學以及大氣科學中，被廣泛用於各種環流和對流現象的研究。

浮力和重力是形成瑞利·貝納德對流的主要原因。位於底部的液體，因為受熱而密度較低，在其上浮過程中自發形成了規則的貝納德原胞圖案。這就是人們常見的朝晚霞的神馬浮雲，包括題主說的50萬公斤型大雲朵。

其實，雲朵，經地面水分大量蒸發上升到高空，遇到高空對流冷空氣，再在它與懸浮物形成的凝結核周圍形成的小水滴聚集而成。雖體積嬌小，重力較輕，卻總想墜落，但由於地球表面到高空這段距離之間，或因地面強烈受熱，引發地面空氣受熱膨脹上升，或因地面氣流前進過程中受地形阻力，於迎風坡自然爬升，或因地面冷空氣與暖空氣在前進途中相遇，冷空氣密度大而暖空氣密度小，暖空氣被冷空氣向上擠壓抬升，形成的強大上升氣流，頂託著它，所以又從未墜落，只能懸浮漂泊，哪怕它臃腫到50萬噸以上，也是不會下墜的。

這是為什麼呢？太陽照到地面加熱，水溫升高，熱空氣含有水蒸氣，會快速上升，這過程中空氣逐漸冷卻，水蒸氣液化成小水滴或凝華成小冰晶，便形成了雲朵和積層，比如富士山頂雲蓋奇觀、朝霞晚霞……這個積層雲朵，受到的熱力、動力或熱力動力合成的浮力，特別強大，遠超其自身所受重力，自然會懸浮不墜。

所以說，儘管人很神祕，但大自然更是如此神祕！像琢磨不透的寶典，像五彩繽紛的藝術家，像地球頑強存在宇宙中的精神寶庫。要好好感謝大自然，它不但能夠很好地保護我們人類，還會帶來這些疑問，開啟我們的無限智慧！

再看螞蟻，直徑約１mm，雲朵中的水滴，大多直徑只有螞蟻的五十分之一20νm而已，這樣微小的水滴，掉落的終端速度只有“每秒鐘一公分”。這樣有多慢呢，如果雲太低，只有一公里高，花28小時才會落到地面，換句話說，雲往下掉的時速是二十八分之一公里。

所以，不可能掉地面。雲的物質態又是氣溶膠aerosol,液態或固態微粒分散在空氣裡凝結而成，氣溶膠這個詞很酷，大家一定要懂得它的深刻意義，哈哈。

相信大多數人都有乘坐飛機的體驗，當飛機穿過雲層時，可以很明顯地看到，雲層並不是像棉花糖一樣厚實地物體，而是像陸地上地霧氣一樣地存在。那麼這個問題可以轉化為：為什麼冬天地清晨，空中有那麼多地霧氣呢，為什麼這些小水滴不掉下來呢。

霧氣的形成

霧氣是地表的水蒸氣遇冷凝結成的細小水滴。

將一勺子白糖加到水中，攪動勺子，糖會慢慢溶解，再加一勺，還是會溶解，當加到一定數量時，糖就不再溶解了，這時體系進入了一個穩態，不斷有糖溶解到水中，又不斷地從水中析出晶體糖，這就是飽和態。水蒸氣也是一樣地，空氣中能夠溶解地水蒸氣數量是有限的，而且溫度越低溶解度越小，因此在寒冷的冬季，如果水汽充沛，最易形成大霧啦。但是有個問題是：水蒸氣是一直在流動的，為什麼會形成飽和狀態呢？

分子的熱運動

組成物質的分子是一直在運動著的，那麼為什麼水蒸氣在開放的環境中會形成飽和狀態呢。

分子運動是受外界環境推動的，比較有名的是布朗運動，落在水面上的花粉由於水分子的無規律運動導致花粉也一直在運動。分子熱運動程度與溫度有關，溫度越低，熱運動程度越小，或者說分子熱運動速度越慢。因此空氣中的水蒸氣雖然一直在遊蕩，但是由於區域性區域溫度低，水蒸氣的運動速度較慢，導致形成了無形的封閉空間，此時就容易形成過飽和的水汽，形成了霧。

至此就解釋完成了，天空中的雲朵就等同於地面上的霧氣，上升的水蒸氣在空中遇到冷空氣流，形成了過飽和的冷凝汽，遠遠看過去就是雲。

雲是大氣中的水蒸氣遇冷液化成的小水滴或凝華成的小冰晶，所混合組成的漂浮在空中的可見聚合物，是地面上的水吸熱變成水蒸氣，從而上升到天空蒸汽層上層，由於蒸汽層上層溫度低，水蒸氣體積縮小比重增大，蒸汽下降，而蒸汽層下面溫度高，下降過程中再吸熱，再度上升遇冷，再下降，然後反覆，氣體體積逐漸縮小，最後集中在蒸汽層底層。在底層形成低溫區，水蒸氣向低溫區集中，這就是雲的形成。簡單來說，雲就是地球上龐大水迴圈的結果。

這和雲有多重沒多大關係，而是跟密度有關係。這就好比一斤棉花和一斤鐵哪個重是一個道理，大家說哪個重？平時大家做飯冒出來的蒸汽不都是往上跑嘛，原因就是蒸汽的密度要比空氣的密度小，而云朵就是由大量的蒸汽聚集在一起形成的，這就是為什麼雲再重也不會掉下來的原因了。

雲的體積越大，在下沉時受到的阻力越大。舉個例子，同樣為1斤的棉花和1斤的鐵塊從同一樓層扔下，鐵塊肯定會先落地，棉花會經很長的時間才能飄下來，而且遇到大風時，鐵塊不受影響，而同樣重量的棉花可能就被吹遠了，因為棉花的密度遠低於鐵塊，1斤棉花的體積很大，受力的面積也很大，所以向上的阻力很大。

同樣的道理，當雲受到的向上的阻力等於重力時就不再下降了，因為此時它在豎直方向的合力為零。而且雲的受風面很大，受到高空中不同方向的氣流影響，導致雲在空中一直隨風的方向漂浮，而不會下沉。

雲是水汽凝結成小雨滴而形成的，水滴的含量因雲的型別而異。積雲的含水量為每立方米0.2克至克；高積雲的含水量為每立方米0.2克至0.5克；雨層雲的含水量每立方米可達15克。

我們取高積雲的比重，按0.5克/立方米計算，50萬公斤的雲體積是

50萬*1000/0.5=1立方千米， 取海平面空氣的密度為1.29千克/立方米，它承受的浮力1立方千米*1.29=1290000噸

由於雲大部分在對流層頂活動，空氣的密度與海拔高度有很大關係，越高密度越小，8000米高度空氣密度大約在0.52千克/立方米，此時承受的浮力是0.52*1立方千米=520000噸

其實有的雲朵也是可以掉下來的，比如說低雲：其內部的小水滴和冰晶質量相對來說會大一些，這種雲就會緩慢下降，肉眼可能感覺不到，但是你們可以參考一下霧霾天，大家都知道PM2.5吧！這是一種質量非常大的有害物質，這些物質構成的集團，就散佈在地表區域。如果你所在地區環境比較好，那麼你可以觀察一下山間的大霧，近距離觀察你會發現霧氣當中水含量是很大的，這就是低雲的一種。

一般有這樣一個規律，那就是如果一個物體的重量越大的話（當然得保證這個物體是實心的），那麼當它自由落體受到的重力和空氣阻力相等的時候，它的速度也會越大。套用到這個問題中來，如果一個極微小的水滴想要下落的話，那麼它所受到的重力應該大於空氣阻力（也可以說是浮力），也只有這樣，它才能不斷下落，但是隨著速度越來越快，它的加速度也就越來越小，最終加速度為零，它就會做勻速運動了。

宇宙有四種相互作用力，引力，電磁相互作用力，強相互作用力，弱相互作用力。

如果我們將引力設為1.

電磁相互作用力是引力的10000000000000000000000000000000000倍。

一朵雲的重量是50萬公斤，這意味著它受到50萬公斤的引力。

但是，只要它和空氣的電磁相互作用力大於這個數值，那麼，雲朵是不會掉下來的。

由於雲朵是電中性的，它和空氣的電磁相互作用力主要來自於雲朵分子、原子的外層電荷之間的排斥作用。

在這種情況下，它的表面積和體積越大，它的電磁相互作用力就越大。

雲朵的體積非常大，它就獲得了鉅額的電磁相互作用力。

當然，在某種情況下，雲朵的電磁相互作用力可能會大幅度減少，最常見就是出現凝結核，在電磁相互作用力的作用下，可能通過某些量子效應，雲朵凝結成水滴。表面積大幅度下降，也就沒有足夠的電磁力支援雲了。

這種情況下，我們就會看到天空下雨、下雪，甚至下冰雹了啊。

那這麼重的雲朵，為什麼不會從天上掉下來呢？難道它不會受萬有引力的影響嗎？這就得從雲的形成來說起了。

其實雲的形成與大自然的迴圈有關，地球上海洋湖泊等的水分蒸發以後就會慢慢凝結成雲，之後就會形成雨，這樣才會受到地球引力的影響，落到地面上來。

當液態的水溫度達到100℃，也就是它的沸點時，就會氣化，然後才會形成雲霧，但這裡的蒸發與氣化並不是同一種類型。雲朵就是靠蒸發來形成的。

蒸發的原理是氧分子與水分子之間發生了互換，大自然界的水分中不僅僅只有水分子，它們還有別的重要元素，其中就包括氧分子。

所以這裡面的一些調皮的氧分子就會與水分子進行結合，從而達到置換水分子中的氧的效果。

所以在這種情況下，水分子就像是一個極其飽滿的氣球，因此在受到斥力的作用下，就會任性的推開別的水分子，從而進入到我們的空氣中。

具體來說，雲的形成需要我們根據阿伏伽德羅定律來研究。

在溫度不變，壓強不變的情況下，空氣中相同體積的分子數量也相同。我們大氣中的分子大部分是氦分子和氧分子構成的，可是按照原子序位表來看，氦更靠後一點，所以氦分子就相對重一點。

因此當空氣中充滿了水分子時，空氣就像是充氣的氣球一樣往上升。但是如果覺得這種說法不太好理解，可以想象家裡面的魚吐泡泡的場景，魚吐出來的氣泡在不斷上升的過程中，受到水的壓強作用會越來越小，所以氣泡裡面的壓強也會越來越小，氣泡的體積自然會慢慢變大。

這時候水分子就會慢慢向周圍擴散，但由於它們體積太小，我們無法用肉眼看清它們。而我們之所以可以觀察到它們，是因為空氣中有灰塵，這些灰塵的作用非常大，它們會起到凝結核的作用，讓水分子附在它周圍。直到凝結到一定數量的水分時，就會形成雲朵了。

你可以想象一下，在天氣晴朗的空中，下降速度極慢的小水滴遇到各種障礙，就會慢慢上升。

再加上空氣的流動會加劇小水滴的蒸發，一經蒸發，又都變成了一個個小水分子，重複之前的過程，附在凝結核上，再變成小水滴，迴圈往復，自然而然雲也就不會掉下來了。

所以我們平時看到的雲朵雖然變化很小，可是這些小水滴們卻在每時每刻變化著，以此來達到一種平衡。

雲是什麼？其實雲的本質是水，確切地說是大氣中的水蒸氣遇冷液化成的小水滴或凝華成的小冰晶，所混合組成的漂浮在空中的可見聚合物。

既然雲是水那必然會有重量，那為什麼它不掉下來，懸在天空中？

同理，我們常見的水都液態的，在標準條件下，水在液態的狀態下密度（10³千克/立方米）遠遠大於空氣（空氣密度約為1.29Kg/m³），由上面我們知道雲是水構成的，但是它狀態與液態水不同，它是由地面蒸發的水蒸氣飄到高空中，雲的密度很小（至於多小暫且不討論）能懸掛在空中它的密度絕對小於空氣的密度，因此它才可以逐漸從地面漂浮到高空。

所以，這裡提到雲朵重50萬公斤，其實雲朵懸浮，還是木頭在水中漂浮跟重量根本無關。

我想說的是雲朵並不是一成不變，而是一直在變化，同時也會掉下來。

總結：正如提問的其實雲朵懸在空中只是跟它的密度有關，跟質量無關；雲並不是在空中不變而是隨著天氣變化逐漸形成較大的水珠，高度也一直往下降最終形成降雨。

問題的本質在於浮力，所以如果阿基米德還活著，會被這個問題氣吐血。

1、空中的雲

雲朵飄在空中，受到的力可以認為就兩個，重力和浮力。所以，雲朵之所以能夠飄起來，就在於浮力的大小與重力相當。

不同的雲朵，在空中的高度也是不一樣的，關鍵原因就在於浮力的大小。對於同一塊雲朵，如果浮力小了，那麼在重力作用下會下降。如果浮力大了，那麼會上浮。空氣密度是底部大頂部小，因此浮力也是下大上小。雲朵在重力和浮力的調節下，總能找到一個大小一樣的平衡位置，這個位置就是雲朵的高度。通常高密度的雲較低，低密度的雲較高。

2、空氣的浮力

阿基米德洗澡的時候發現了浮力定理，發現浮力的大小與排除水的體積有關。

通常，浮力公式如下，其實代表著上下表面的壓力差。所以浮力與液體密度、重力加速度和體積有關。

浮力的本質在於物體表面的壓力差，壓力來自於液體的壓強。不同深度的壓強，與高度有關，公式如下。實際上，這個公式不僅僅適用於液體，對空氣也適用。不過算空氣大氣壓的時候，一般都是用水銀計來測量，而不是測出空氣的密度高度等等。

我們知道，一個標準大氣壓約100kPa，當物體處於地面上（高度為零）時，受到空氣的壓強就是100kPa。由於空氣是流體，所以物體四周的壓強都一樣，這樣空氣壓強的合力就為零了，對物體不起作用。

但是，對於大體積物體就不一樣了。大體積的物體，上下表面的高度差巨大，引起上下表面的壓強差。底部壓強大，頂部壓強小，從而產生向上的浮力。雲朵漂浮就是這個原理。

3、密度的影響

浮力源自物體表面的壓強差，跟體積有關。不過如果密度巨大，體積再大，浮力的增加也平衡不了重力。所以，有個一引數至關重要——密度。密度越小，體積就大、質量就小。這樣浮力就非常容易增加到平衡這個重力。實際上，在液體的浮力裡學過，只要物體的密度小於液體的密度，那麼浮力總是大於重力的。這個結論對空氣依然適用。

我麼知道，空氣密度約1.293千克/立方米，隨著高度的增加，密度呈指數式減小，如上圖。所以，隨著高度的增加，物體受到的浮力由於壓強的減小而降低。

雲朵高度從600m到6000m，對照上圖，600m空氣密度接近1.293kg/m3，6000m的空氣密度約0.6kg/m3。對應的雲層的密度就是這個數值，否者雲層無法停留。

4、總結

雲層能夠漂浮本質在於浮力與重力平衡。浮力來自於雲朵上下表面的壓強差，與空氣密度和雲朵自身體積質量有關。雲朵的密度通常在0.6-1.2kg/m3，小於底層空氣密度，所以會上浮到與自身密度一直的空氣高度。

其實，雲也是有重量的，以常見的云為例，每立方米的積雨雲重量大約是0.5g，而我們能夠看到的一箇中型規模的雲，可能大約有10億立方米，重量約為500噸，這麼重的雲，為什麼不會從天上掉下來呢？

其實，不是它不會掉下來，而是它在滴落的過程中又被蒸發掉了。

具體原因，我們詳細說一下。

雲的形成

雲的形成，和地球上的水迴圈有關。我們知道，地球上海洋以及河流湖泊的水分蒸發之後，會凝結成雲，之後會形成雨，在地球引力的作用下，重新落到地面上。

我們雖然知道雲是由水蒸氣組成的，但是水蒸氣是如何蒸發到天空的呢？其實這個問題，用阿伏伽德羅定律可以得出答案：

在相同溫度以及壓強下，相同體積的任意氣體都含有相同數量的分子，因此該定律又被稱之為四同定律。

我們知道，地球大氣的成分，主要是由氮氣和氧氣組成。

其中，氮氣（N2）是兩個氮原子組成氮分子，氧氣（02）是兩個氧原子組成氧分子；而水蒸氣的化學表示式為：H2O，是由2個氫原子核1個氧原子組成。我們知道，氫原子和氧原子在化學元素週期表中比較靠前。

因此同等條件下，水蒸氣比氮氣和氧氣都要輕，所以水蒸氣在空氣之中會上升（如果覺得難以理解，可以想象一下氫氣球，氫氣球之所以能夠漂浮在天空中，就是因為氫氣球比空氣成分要小，因此可以上升）。

當江河湖海蒸騰出的水蒸氣越來越多時，這些水蒸氣會帶著地表的溫度，也就是熱量一起上升；而水蒸氣在不斷升高的過程中，氣壓也會逐漸降低，因此這些水蒸氣體積會逐漸膨脹。

這一點，其實和水裡面的水泡相同，魚剛吐出來的泡泡會比較小，但在上升的過程中會逐漸變大，原因是在液體中深度越深，壓強越大；而深度越淺，壓強越小，氣泡在上升的過程中，受到液體的壓強會越來越小，因此氣泡內的氣體壓強也會變小，所以體積會膨脹變大。

空氣中的水分子就相當於魚類吐的泡泡。

在膨脹的過程中，會導致周圍空氣溫度下降，而降溫會導致空氣不能容納更多的水蒸氣，因此一部分水蒸氣會析出，但是此時並不會形成雲，這是因為單個的水蒸氣很難與其他水蒸氣相互凝結，即使偶然凝結在一起，也會很快分開。

好在，空氣中除了水蒸氣，還有一些塵埃微粒，這些微粒可以充當凝結核，讓周圍水分子圍繞著凝結核凝聚。人工降雨其實向天空中拋灑的就是塵埃微粒，讓空氣中的水蒸氣凝結在塵埃微粒周圍，形成雨水。

研究表明，大概100萬個水蒸氣凝結在一起，才會形成1滴水。

在凝結核的幫助下，水蒸氣不斷匯聚成小冰晶或者小水珠，從而形成雲，可以被我們觀測到。由於水汽析出需要特定的溫度和氣壓，因此這些雲會維持在一定的高度。

云為什麼不會掉落下來？

瞭解了雲的形成之後，我們再來分析一下云為什麼不會掉下來。

在物理學上，有一個速度叫做終端速度，意思是說：

看不明白也沒關係，你只需要知道，終端速度和物體的質量以及展開面積有關。比如：一塊磚頭下落的速度，和同等體積的棉花終端速度不一樣的原因是，磚頭更重；而同等體積的棉花更輕，因此棉花的終端速度比較小。但如果一塊磚頭綁上了降落傘，而棉花沒有，那麼很有可能 磚頭的終端速度更小。

雲層裡的小水珠其實也有終端速度，但由於小水珠的質量過於輕，因此它的終端速度非常非常慢，每秒的墜落速度可能只有幾毫米。

再加上小水珠在墜落的過程中，會帶動空氣流動，而空氣流動會加速水分蒸發，因此小水珠還未掉落到地面，就被蒸發了，因此，雲就不會掉下來了。

雨之所以能夠掉下來，是因為雨水的重量較重，終端速度比小水珠要快得多，蒸發速度沒有降落速度快，雨水還未蒸發完，便已經掉落在地上了。以上這些就是云為什麼不會掉落下來的原因。

首先，一朵雲50萬公斤這個概念不知道是怎麼得來的；其次，“朵”不是一個度量單位，所以無法判斷。都知道雲是水做的，雲無常態，連成一片，50萬公斤也不是什麼事。不限制體積說體重，毫無意義。不妨以雲的基本組成單位來看。

天上的雲是由什麼組成的呢？

常見的錯誤認知：雲是水蒸氣。

水蒸氣實際是分子呈發散狀態的氣體且無色透明，我們無法看見，而我們可以看見雲，所以雲肯定不是水蒸氣。

雲其實是大氣中水蒸氣遇冷之後形成的小水滴或小冰晶組成的。這些非常小的水滴和冰晶，我們姑且稱其為構成雲的“雲粒”。所以要討論云為什麼不會掉下來，我們不該討論一朵雲，還應該討論這一顆顆的“雲粒”。

雲粒的直徑一般為0.05毫米，相當於1毫米的普通雨滴直徑的1/20。換算成體積的話（乘以三次方），一顆雲粒就是一滴雨水體積的1/8000。

如果以1杯水的體積來看，它的8000倍相當於可以裝10個汽油桶。

從下降速度來看，云為什麼不掉下來？

我們生活在空氣中，所以物體在下落時，會受到來自空氣的阻力。只要下落距離足夠大，任何物體都是先加速運動，當空氣阻力等於物體的重力時，物體下落將變成勻速運動。

我們以熟悉的雨水為例，看看暴雨、小雨、毛毛雨的不同下落速度。

毛毛雨時雨滴直徑為0.4毫米，速度約1.6米/秒；暴雨時的雨滴直徑為5毫米，速度約9米/秒；而一般1毫米的雨滴來說，速度大約是4米/秒。

可以看出，隨著雨滴體積的變大，它們下落的速度是陡然變大，反之亦然。直徑僅為0.05毫米的雲粒，下落速度就僅為每秒0.03米。所以，只要有每秒速度為0.03米向上的風吹起，雲就掉不下來了。而這個風速和我們平時呼氣或用手扇風時的空氣速度差不多。

雲一般出現在對流層，這裡的大氣環流從未停止過，所以稍微一點點空氣的流動就能使雲飄浮在空中。你自然永遠體驗不到被雲砸中的感受。

當然以上的運動，我們都沒有考慮浮力的問題，因為不管是雲粒還是雨滴體積都十分小，浮力也就忽略不計了。但實際上在空氣中的物體也都會受到浮力的影響。

比如，一公斤的鐵和一公斤的棉花，到底哪個更重？

很多人可能認為質量一樣，所以一樣重，但這是沒考慮浮力的回答。事實上根據阿基米德定律，鐵會更重。因為同樣質量的鐵體積比棉花更小，排開的空氣就越少，而排開空氣的重量等於其所受的浮力，所以鐵比棉花受到的浮力更小，當然鐵會更重。

總結

雲是地球上龐大的水迴圈中不可或缺的一環，如果它不能飄在天上，地球的水迴圈系統可就堪憂了。

“靜觀庭前花開花落，閒看天上雲捲雲舒”，一朵雲重量將近50萬公斤卻在天空上飄來飄去，悠然自得，它怎麼不從天上掉下來呢？

首先，我們得弄明白一個道理。雲朵能夠漂浮在天空上可和它有多重沒有關係的。鋼鐵製造的輪船是不是很重呢，但是它還不是照樣漂浮在大海上？一座冰山也很重，它也是在海上漂浮著。原因不在於它們的重量而是它們的密度小於海水的密度。雲朵能夠漂浮在天空上也是同樣的道理，一朵雲看上去很重，但是它們的體積也很大啊，所以它們的密度小於空氣的密度，因此也就能夠漂浮在天空上了。

其實雲朵的主要成分就是水蒸氣。水蒸氣的平均密度只有每立方米0.6公斤，而空氣的平均密度是每立方米1.29公斤。由此可見，水蒸氣的密度要小於空氣的密度，水蒸氣也就能夠漂浮在天空之上了。

但是越是高出的空氣密度就越小，因此水蒸氣上升到一定高度就不在上升了。這是因為雲的密度和高空中的空氣密度相同了。“閒看天上雲捲雲舒”天上的雲朵是在不斷運動和變化著的。這是因為它們在空中受到了空氣氣流的影響，空氣氣流也對雲朵有一定的升力作用。

當水蒸氣在上升的過程中會遇冷凝結成小水滴或者冰晶。當這些小水滴或者冰晶在天空中越積越大，密度超過了空氣的時候，就會從天空中降落下來形成了雨雪甚至是冰雹。

因此，雲朵在天空上漂浮著和它有多重沒關係，主要原因是它的密度要比空氣小。