科普小知識(shí) | 風(fēng)是怎么產(chǎn)生的？讓我們來探究風(fēng)的起源

風(fēng)是怎么產(chǎn)生的？

你一定覺得這個(gè)問題很可笑——小孩子都知道，空氣流動(dòng)形成風(fēng)，風(fēng)是因?yàn)榭諝饬鲃?dòng)形成的嘛！

那么，空氣為什么會(huì)流動(dòng)？我指的當(dāng)然不是你打開電風(fēng)扇，更不是你鼓起腮幫子吹一口氣，而是自然界大規(guī)模的空氣流動(dòng)，你知道答案嗎？

今天我們就來談一談風(fēng)的起源，從科學(xué)的角度探究大氣壓力、地球轉(zhuǎn)動(dòng)以及熱力分布對(duì)風(fēng)的影響。然后你就會(huì)知道，風(fēng)，絕不是吹一吹那么簡單。

· 大氣壓力

我們的地球表面覆蓋著厚厚的大氣，它主要由氮?dú)夂脱鯕鈽?gòu)成，這兩種氣體占到了大氣體積的99%以上。氣體是物質(zhì)，它們也是有質(zhì)量的，地球大氣的總質(zhì)量達(dá)到約5.15×1018 kg。我們所說的氣壓，就是每單位面積的大氣壓力，也就是它上方空氣柱的重力。

你可能會(huì)說：這很簡單??！誰都知道一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓是760mm汞柱高、是101325 帕斯卡，相當(dāng)于每平方米要承受10.3噸的壓力。

大氣壓的測量

很好，你的回答很正確。但這是“一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓”，它既是一個(gè)測量值，也是一個(gè)規(guī)定值。即：當(dāng)溫度為0℃、在緯度45度海平面、水銀氣壓表上的數(shù)值為760毫米水汞柱高（相當(dāng)于1013.25百帕），這就是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

事實(shí)上，在緯度為45度的海平面，溫度并不總是維持在0℃，而只要溫度發(fā)生變化，氣壓也隨之發(fā)生變化。這是因?yàn)殡S著溫度的升高，空氣分子的運(yùn)動(dòng)速度會(huì)加快，彼此之間會(huì)遠(yuǎn)離，空氣密度隨之減?。环粗?，溫度的降低會(huì)導(dǎo)致空氣密度增加。而一個(gè)地區(qū)大氣厚度基本不變，密度增加就意味著這個(gè)地區(qū)上空有更多的空氣，其大氣壓力自然增加了。

大氣壓力會(huì)隨溫度變化而發(fā)生變化

地球表面因地形地貌的差異、日照強(qiáng)度的變化、水氣蒸發(fā)量的不同等一系列復(fù)雜的原因，造成了地表空氣形成一個(gè)個(gè)不同溫度的氣團(tuán)。在這些氣團(tuán)相交匯的地方因大氣壓力不同會(huì)導(dǎo)致空氣流動(dòng)，空氣會(huì)從壓力高的區(qū)域向壓力低的區(qū)域傾瀉，這就是風(fēng)。

全球主要?dú)鈭F(tuán)，顏色表示冷暖

· 大氣環(huán)流

大氣環(huán)流是覆蓋地球的規(guī)模最大、范圍最廣的風(fēng)。由于地球赤道附近覆蓋著大面積的海洋，這里的陽光也最強(qiáng)烈，海水在強(qiáng)烈陽光的照射下大量蒸發(fā)進(jìn)入大氣，同時(shí)海面的高溫也加熱空氣。海面上方的空氣團(tuán)受熱形成上升氣流、氣壓降低。

赤道上升的氣體不會(huì)堆積，它一方面在高空冷卻形成大規(guī)模降水，同時(shí)向兩側(cè)極地方向移動(dòng)。當(dāng)這些空氣移動(dòng)到南北緯30°附近時(shí)，它已經(jīng)變得又干又冷，干冷的空氣因密度增加而下沉，在這一緯度帶形成副熱帶高壓區(qū)。到達(dá)地面附近再次向赤道流動(dòng)，補(bǔ)充赤道地區(qū)上升的空氣，從而完成一個(gè)循環(huán)。我們稱這個(gè)環(huán)流圈為哈德利環(huán)流圈或信風(fēng)環(huán)流圈，因?yàn)樗炀土顺嗟纼蓚?cè)龐大的信風(fēng)帶。

大氣環(huán)流形成原因

你也許注意到了，在南北緯30°附近的副熱帶高壓區(qū)兩側(cè)，大氣環(huán)流的方向是不一樣的：在北緯30°線以南吹的是東北信風(fēng)，以北吹的卻主要是西風(fēng)。為什么會(huì)出現(xiàn)這種情況？

有三種力量可以控制風(fēng)的走向：大氣高地壓差造成的壓力梯度變化，地球自轉(zhuǎn)，摩擦力。

根據(jù)之前段落的分析，我們知道空氣會(huì)從高壓區(qū)向低壓區(qū)流動(dòng)，它應(yīng)該是直線運(yùn)動(dòng)。同時(shí)因?yàn)榈厍蛟谝豢滩煌５刈赞D(zhuǎn)，地球自轉(zhuǎn)會(huì)給流動(dòng)的空氣施加第二個(gè)力——科里奧利力。

科里奧利力在轉(zhuǎn)盤上的模擬，鉛筆移動(dòng)方向代表流體運(yùn)動(dòng)方向

由于科里奧利效應(yīng)，當(dāng)風(fēng)從北緯30°副熱帶高壓區(qū)向兩側(cè)吹送時(shí)，它會(huì)呈順時(shí)針方向運(yùn)動(dòng)，在南半球則方向相反。同樣地，如果在北半球海洋上出現(xiàn)熱帶氣旋或龍卷風(fēng)，它的轉(zhuǎn)動(dòng)方向則是逆時(shí)針方向。

因科里奧利效應(yīng)，北半球高壓區(qū)風(fēng)向?yàn)轫槙r(shí)針，低壓區(qū)為逆時(shí)針

· 大氣湍流

湍流是不規(guī)則的大氣運(yùn)動(dòng)，它經(jīng)常發(fā)生在大氣底層的邊界層內(nèi)、對(duì)流云的云體內(nèi)部，以及大氣對(duì)流層上部的西風(fēng)急流區(qū)內(nèi)。當(dāng)空氣層中具有明顯的風(fēng)速切變、上層空氣溫度低于下層對(duì)流條件時(shí)容易發(fā)生隨機(jī)的湍流現(xiàn)象。

由于太陽對(duì)地面各部分加熱并不均衡，大氣的高低壓區(qū)域往往是隨機(jī)交錯(cuò)的，因此空氣團(tuán)在運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)發(fā)生隨機(jī)的湍流現(xiàn)象。大氣湍流伴隨著物質(zhì)、能量和動(dòng)量的傳遞和交換，其運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)大于層流，因此其擴(kuò)散和剪切應(yīng)力也非常大。加之湍流隨機(jī)發(fā)生，風(fēng)速快、風(fēng)向不定，突然遭遇的風(fēng)切變常常對(duì)飛機(jī)的飛行安全構(gòu)成威脅。

科學(xué)家為研究湍流現(xiàn)象制造的漩渦

· 地形風(fēng)

通常情況下，空氣會(huì)從高壓區(qū)向低壓區(qū)流動(dòng)，風(fēng)速由壓力差（壓力梯度）控制，當(dāng)?shù)葔壕€距離減小時(shí)，其速度更高，而風(fēng)的運(yùn)行路徑則是順其自然。

如果前方有障礙物阻擋，風(fēng)不會(huì)穿過，它或是以最短路徑繞行，或是被迫爬升產(chǎn)生振蕩，這也是引起湍流的重要原因之一。

山脈會(huì)產(chǎn)生垂直方向的振蕩風(fēng)

海風(fēng)和陸風(fēng)可能是沿海地區(qū)盛行風(fēng)的重要因素。由于與陸地相比水的比熱更大，海水被太陽溫暖得更慢。陸地表面溫度上升的比較快，土地通過傳導(dǎo)加熱它上方的空氣。暖空氣上升導(dǎo)致從海洋到陸地的壓力梯度約為2毫巴。海面上高壓冷空氣向內(nèi)陸低壓區(qū)流動(dòng)，在海岸附近產(chǎn)生涼爽的微風(fēng)。

晚上，由于比熱值的差異，土地比海洋更快地冷卻，溫度變化導(dǎo)致白天海風(fēng)消散。當(dāng)陸上溫度低于海上溫度時(shí)，水面上方大氣壓力將低于陸地，于是產(chǎn)生陸地風(fēng)。

海風(fēng)與陸地風(fēng)的產(chǎn)生因沿海局部氣壓差引起，造成晝夜風(fēng)向不同

氣旋通常發(fā)生在溫暖的海面，偶爾也會(huì)因陸地高溫炙烤引發(fā)龍卷風(fēng)。當(dāng)海面溫度快速升高，迅速蒸發(fā)的水氣形成快速上升的低壓區(qū)，同時(shí)由于地球的旋轉(zhuǎn)，空氣具有非零的絕對(duì)角動(dòng)量。當(dāng)空氣徑向向內(nèi)流動(dòng)時(shí)，它開始循環(huán)旋轉(zhuǎn)（在北半球逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，在南半球順時(shí)針旋轉(zhuǎn)），以保持角動(dòng)量。于是產(chǎn)生破壞力巨大的氣旋，氣旋通常產(chǎn)生于熱帶海面，因此稱熱帶氣旋。熱帶氣旋在亞洲稱做臺(tái)風(fēng)，在美洲叫颶風(fēng)。

熱帶氣旋的剖面結(jié)構(gòu)

· 總結(jié)

風(fēng)由空氣流動(dòng)產(chǎn)生，空氣流動(dòng)的原因在于地球大氣受熱不均導(dǎo)致各個(gè)緯度、各個(gè)地區(qū)氣壓差異。

大氣壓力并不恒定，當(dāng)空氣受熱，它會(huì)膨脹上升，熱空氣所在的區(qū)域氣壓降低，相鄰的冷空氣會(huì)彌補(bǔ)熱空氣留下的空間，從而形成風(fēng)。

地球上最大范圍的風(fēng)就是大氣環(huán)流。由于科里奧利效應(yīng)，在地球不同緯度造就了不同的方向的風(fēng)帶。

大氣環(huán)流不是地球上風(fēng)產(chǎn)生的唯一因素，由于地形地貌差異，以及各地區(qū)受熱不均，在地球各個(gè)地方都有地形風(fēng)產(chǎn)生。

風(fēng)是地球表面最多變的氣候因素之一，也是塑造地形地貌的卓越大師，我們應(yīng)該用心研究和了解它。

風(fēng)的雕塑作品

本文來源：知道日?qǐng)?bào)