风的成因是什么?
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发表时间:2017-07-10 11:23来源:宇宙指南

如果空气随着地球在转动,那为什么会有风呢?风,肯定是流动着的空气。看上去风是在运动的,也许这是因为空气不动,而地球却在空气的下面不停地转动而造成的。


但遗憾的是这种假设是错误的。


地球运动的方向是从西向东的,这就是为什么观察太空中的物体似乎都是从东向西运动的道理。这正像我们在疾驶的火车上看地面上行走的人,火车向前开,而地面上的人好像往后走一样。在赤道的位置上,地球的转速是每小时 1600 公里,其方向为由西向东,而在赤道两侧的南、北极之间,地球是以较小的半径转动的,所以该地区的转速就低于上述数值(而在南极和北极点全然没有任何运动)。


如果假定地球转动时空气纹丝不动,那么我们在赤道上方就能感觉到一种定向吹动的风,其速度是每小时 1600 公里,风向由东向西,而在赤道的两侧,风力就会降低一些。显然这不符合实际。所以,风不是由地球的转动而形成的。


哥伦布于 1492 年横渡大西洋时发现了定向的风(现在称之为信风),方向是从东边吹来,这使他顺风而行。当他返航回家的时候,他是向北航行,这时他发现信风是从西边吹来的。这一发现非常重要。在这之前,西方航海家认为风的产生、停止和风向完全取决于神的意愿。自哥伦布之后,人们越来越清楚地发现,风是有规律性的,这个规律性对海上贸易极为有利(这就是人们为什么称之为贸易风的缘由),而当时人们还不明白风的吹动为什么是有规律的。


这个问题的答案最初出现于 1686 年,英国科学家埃德蒙·哈雷认为:如果把大气层升温到同一温度上,地球表面的空气基本上是静止不动的,更不用说是有风了。然而,太阳直射地带的空气温度远远高于北方和南方地区的空气温度,高温下的空气将不断地膨胀,它们变得很轻,并且升向高空,这时从北方和南方飘过来的冷空气就填补了这块真空。正是这种冷空气的侵入才形成了“信风”。有人曾认为冷空气直接来自于正北方或正南方,事实并非如此,赤道以北的信风来自东北方,赤道以南的信风来自东南方。


当时,哈雷对这种现象没能作出解释,到了1735年,英国律师乔治·海德莱对这一现象做了正确的剖析:与赤道上空的空气相比,北方袭来的冷空气以较慢的速度随地球转动,当这股冷空气南下时,它在东西方向上的移动速率仍然没变,这一速率低于冷空气所到之处地球从西到东旋转的速率,其结果将使人们误以为这股风是从东北方吹来的。同理,人们也会认为由赤道南方袭来的风好像来自东南方。


相反,当赤道上空的空气被迫吹向北方时,它在东西方向上的运动速度高于所到之处的地球转速,因此看上去风似乎来自西方,这就产生了“西风带”。


这套理论后来由法国的物理学家格斯帕德·吉斯塔夫·让·科奥利斯于 1835 年通过数学推算得以证实。至此人们得知:风向的产生来源于地球不同部位的不同转速差,这一结论称之为科奥利斯效应。这一效应可以形成强度不等的“旋风”、“风暴”、“飓风”、“龙卷风”。


风是很重要的,它是地球的空气调节器,其作用是分散地球上的热量,使热带地区不是想象的那么热,使冷的地方也不是想象的那么冷。随着温度的升高,海洋上的水蒸气带走了一部分水。一旦温度降低,水又以雨的形式降落到地面。陆地吸收到了水,才使得陆地上的生物生机盎然。


如果我们完全理解了这些主宰空气和风运动的规律,我们就能准确地预测天气,其中包括温度的变化、雨及风暴的形成等天气形势。问题在于这些规律相当复杂,以至于时至今日我们仍不能圆满地进行天气预报。


事实上,人类还不能准确无误地预报天气,因为人类还不能精确地测定出各地区天气的初始状态,有时一些微小的变化也会造成巨大的后果。这种现象被人们称之为“无序”现象。而且相当多的自然现象都明显地具有这种特性,它使得我们无法去预测它们,这就是在科学领域中的遗憾之处,是人类知识的局限性造成的。不过,我们至少已在研究的过程中发现了这些局限之所在。


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