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形成风,风是因为空气流形成的!
那么空气为什么会流动呢?当然,我不是说你打开电风扇,也不是你鼓起腮帮子吸一口气,而是大自然中的海量空气流。你知道答案吗?
今天我们就来说说风的起源,从科学的角度来探讨大气压力、地球自转、热力分布对风的影响。然后你就会知道,风不是吹那么简单。
在强风中摇曳的樱桃树
大气压力
我们的地球表面覆盖着一层厚厚的优优资源大气,主要由占大气体积99%以上的氮和氧组成。是气态物质,它们也有质量。地球大气层的总质量约达1000千克.所谓气压,我们指的是单位面积的大气压力,也就是其上方空气柱的重力。
你可能会说:很简单!大家都知道一个标准大气压是760毫米汞柱高,101325帕斯卡,相当于每平方米10.3吨压力。
大气压力的测量
很好,你的答案是正确的。但这是“一个标准大气压”,既是测量值,也是规定值。即当温度为0℃,在纬度45度的海平面上,水银气压计上的数值为760毫米汞柱(相当于1013.25百帕)时,这是一个标准大气压。
其实在纬度45度的海平面,温度并不总是保持在0℃,只要温度变化,气压也变化。这是因为随着温度的升高空气体分子的运动速度会加快,相互远离,空气体的密度也会相应降低。相反,温度的降低会导致空气体密度的增加。而一个地区的大气厚度基本不变,密度增加意味着这个地区的空气体更多,其大气压力自然增加。
大气压会随着温度的变化而变化。
在地球表面,由于地形的差异、日照强度的变化、水汽蒸发量的差异等一系列复杂的原因。,地表空气体形成不同温度的气团。这些气团相遇的地方,由于大气压的差异,空气体会流动,空气体会从压力高的区域向压力低的区域倾泻,这就是风。
世界上主要的气团,用颜色表示冷暖。
大气环流
大气环流是覆盖地球的最大和最广泛的风。因为地球赤道覆盖着大面积的海洋,这里的阳光也最强。在强烈的阳光照射下,海水大量蒸发到大气中,海面的高温也加热了空气体。海面上方空气团被加热形成上升气流,气压降低。
赤道上升的气体不会积聚。一方面会在高空降温形成大范围降水,同时会向两侧极地移动。当这些空气体移动到南北纬30°时,变得干冷,干冷空气体由于密度增加而下沉,在这个纬度带形成了一个副热带高压区。到达地面后,又流向赤道,补充赤道地区上升的空气体,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,因为它在赤道两侧形成了一个巨大的信风带。
大气环流形成的原因
大家可能注意到了,在北纬30°附近的副热带高压两侧,大气环流的方向是不一样的:北纬30°以南,吹的是东北新优优资源网风,而在北部,主要是西风。为什么会这样?
能控制风向的力有三种:大气高压差引起的气压梯度变化、地球自转和摩擦力。
根据上一段的分析,我们知道空气体会从高压区流向低压区,应该是直线运动。同时,由于地球一直在自转,地球的自转会对流动的空气体施加第二个力——科里奥利力。
转盘上科里奥利力的模拟,铅笔运动的方向代表流体运动的方向。
由于科里奥利效应,当风从30 N的副热带高压区吹向两侧时,会顺时针方向运动,而在南半球,则会反方向运动。同样,如果北半球海洋有一个热带优优资源网气旋或龙卷风,其旋转方向是逆时针的。
由于科里奥利效应,北半球高压区的风向为顺时针方向,而低压区的风向为逆时针方向。
大气湍流
湍流是一种不规则的大气运动,常发生在大气底部的边界层、对流云内部以及大气对流层上部的西风急流区。当空气体层有明显的风速切变,上层空气体温度低于下层对流条件时,容易发生随机湍流。
由于太阳对地面各部分的加热是不均匀的,大气的高低压区往往是随机交错的,所以空气团在运动过程中会有随机的湍流。大气湍流伴随着物质、能量和动量的传递和交换,其运动速度比层流快得多,因此其扩散和切应力也很大。此外,湍流随机发生,风速快且风向不确定,突发风切变往往对飞机飞行安全构成威胁。