风是如何形成的?(自然知识:风是怎么产生的)

风是怎么产生的?你一定觉得这个问题很可笑——小孩子都知道,空气流动形成风,风是因为空气流动形成的嘛!那么,空气为什么会流动?我指的当然不是你打开电风扇,更不是你鼓起腮帮子吹一口气,而是自然界大规模的空气流动,你知道答案吗?今天我们就来谈一谈风的起源,从科学的角度探究大气压力、地球转动以及热力分布对风的影响。然后你就会知道,风,绝不是吹一吹那么简单。

大气压力

我们的地球表面覆盖着厚厚的大气,它主要由氮气和氧气构成,这两种气体占到了大气体积的99%以上。气体是物质,它们也是有质量的,地球大气的总质量达到约5.15×10¹⁸kg。我们所说的气压,就是每单位面积的大气压力,也就是它上方空气柱的重力。

你可能会说:这很简单啊!谁都知道一个标准大气压是760mm汞柱高、是101325帕斯卡,相当于每平方米要承受10.3吨的压力。很好,你的回答很正确。但这是“一个标准大气压”,它既是一个测量值,也是一个规定值。即:当温度为0℃、在纬度45度海平面、水银气压表上的数值为760毫米水汞柱高(相当于1013.25百帕),这就是一个标准大气压。

事实上,在纬度为45度的海平面,温度并不总是维持在0℃,而只要温度发生变化,气压也随之发生变化。这是因为随着温度的升高,空气分子的运动速度会加快,彼此之间会远离,空气密度随之减小;反之,温度的降低会导致空气密度增加。而一个地区大气厚度基本不变,密度增加就意味着这个地区上空有更多的空气,其大气压力自然增加了。地球表面因地形地貌的差异、日照强度的变化、水气蒸发量的不同等一系列复杂的原因,造成了地表空气形成一个个不同温度的气团。在这些气团相交汇的地方因大气压力不同会导致空气流动,空气会从压力高的区域向压力低的区域倾泻,这就是风。

大气环流

大气环流是覆盖地球的规模最大、范围最广的风。由于地球赤道附近覆盖着大面积的海洋,这里的阳光也最强烈,海水在强烈阳光的照射下大量蒸发进入大气,同时海面的高温也加热空气。海面上方的空气团受热形成上升气流、气压降低。

赤道上升的气体不会堆积,它一方面在高空冷却形成大规模降水,同时向两侧极地方向移动。当这些空气移动到南北纬30°附近时,它已经变得又干又冷,干冷的空气因密度增加而下沉,在这一纬度带形成副热带高压区。到达地面附近再次向赤道流动,补充赤道地区上升的空气,从而完成一个循环。我们称这个环流圈为哈德利环流圈或信风环流圈,因为它造就了赤道两侧庞大的信风带。

你也许注意到了,在南北纬30°附近的副热带高压区两侧,大气环流的方向是不一样的:在北纬30°线以南吹的是东北信风,以北吹的却主要是西风。为什么会出现这种情况?有三种力量可以控制风的走向:大气高地压差造成的压力梯度变化,地球自转,摩擦力。

风是如何形成的?(自然知识:风是怎么产生的)

风是如何形成的?(自然知识:风是怎么产生的)

根据之前段落的分析,我们知道空气会从高压区向低压区流动,它应该是直线运动。同时因为地球在一刻不停地自转,地球自转会给流动的空气施加第二个力——科里奥利力。由于科里奥利效应,当风从北纬30°副热带高压区向两侧吹送时,它会呈顺时针方向运动,在南半球则方向相反。同样地,如果在北半球海洋上出现热带气旋或龙卷风,它的转动方向则是逆时针方向。

大气湍流

湍流是不规则的大气运动,它经常发生在大气底层的边界层内、对流云的云体内部,以及大气对流层上部的西风急流区内。当空气层中具有明显的风速切变、上层空气温度低于下层对流条件时容易发生随机的湍流现象。

由于太阳对地面各部分加热并不均衡,大气的高低压区域往往是随机交错的,因此空气团在运动过程中会发生随机的湍流现象。大气湍流伴随着物质、能量和动量的传递和交换,其运动速度远大于层流,因此其扩散和剪切应力也非常大。加之湍流随机发生,风速快、风向不定,突然遭遇的风切变常常对飞机的飞行安全构成威胁。

地形风

通常情况下,空气会从高压区向低压区流动,风速由压力差(压力梯度)控制,当等压线距离减小时,其速度更高,而风的运行路径则是顺其自然。如果前方有障碍物阻挡,风不会穿过,它或是以最短路径绕行,或是被迫爬升产生振荡,这也是引起湍流的重要原因之一。

海风和陆风可能是沿海地区盛行风的重要因素。由于与陆地相比水的比热更大,海水被太阳温暖得更慢。陆地表面温度上升的比较快,土地通过传导加热它上方的空气。暖空气上升导致从海洋到陆地的压力梯度约为2毫巴。海面上高压冷空气向内陆低压区流动,在海岸附近产生凉爽的微风。晚上,由于比热值的差异,土地比海洋更快地冷却,温度变化导致白天海风消散。当陆上温度低于海上温度时,水面上方大气压力将低于陆地,于是产生陆地风。

气旋通常发生在温暖的海面,偶尔也会因陆地高温炙烤引发龙卷风。当海面温度快速升高,迅速蒸发的水气形成快速上升的低压区,同时由于地球的旋转,空气具有非零的绝对角动量。当空气径向向内流动时,它开始循环旋转(在北半球逆时针旋转,在南半球顺时针旋转),以保持角动量。于是产生破坏力巨大的气旋,气旋通常产生于热带海面,因此称热带气旋。热带气旋在亚洲称做台风,在美洲叫飓风。

总结

风由空气流动产生,空气流动的原因在于地球大气受热不均导致各个纬度、各个地区气压差异。大气压力并不恒定,当空气受热,它会膨胀上升,热空气所在的区域气压降低,相邻的冷空气会弥补热空气留下的空间,从而形成风。地球上最大范围的风就是大气环流。由于科里奥利效应,在地球不同纬度造就了不同的方向的风带。大气环流不是地球上风产生的唯一因素,由于地形地貌差异,以及各地区受热不均,在地球各个地方都有地形风产生。风是地球表面最多变的气候因素之一,也是塑造地形地貌的卓越大师,我们应该用心研究和了解它。

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