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第10章 天上为什么会下雨(3)

在地球上某些地区常会出现一些与地方性特点有关的局部地区的风,称为地方性风。主要的地方性风有以下几种。

①海陆风。居住在滨海地区的人都有这样的经验:白天,风从海洋吹往陆地;夜里,风从陆地吹向海洋。这种昼夜相反的风,称为海陆风。

海陆风形成的原因主要是海陆热力差异引起的热力环流。这跟下面一个实验很相象。如果在一个容器中盛有空气,在容器的一端加热,另一端冷却,则暖热一端的空气将上升,冷的一端的空气将下沉。与此同时,上面暖热的空气从暖热端流向冷端,补偿冷端下沉的空气;在底部,冷空气流向暖热端,补偿因加热失去的空气。这样,就构成了一个闭合环流。

倘若把这个实验“移植”到滨海地区,那么,白天因太阳照射,陆地比海洋暖,结果风从海洋吹向陆地,即海风;夜里,海洋比陆地暖,结果风从陆地吹向海洋,即陆风。海风会从海上带来大量水汽,使沿海地区有时有雾和低云,同时在夏天带来凉爽。

②山谷风。生活在山区的人会发现白天风常常从山谷吹向山坡,夜里风从山坡吹向谷地,这就是山谷风。

山谷风的形成原因与海陆风相象。在白天,山坡因太阳照射受热,空气增温多,但在山谷中同高度的空气,因距地面较远,增温不多。因而谷地的空气冷却下沉,山坡上暖和的空气上升,这样就构成了谷风。在夜间,山坡上的空气比同高度谷地上空的空气冷却得快,结果冷的空气就沿山坡吹向山谷,即山风。

③焚风。沿着山坡向下吹的又干又热的风,称为焚风。焚风最早在欧洲的阿尔卑斯山被发现,亚洲的阿尔泰山、欧洲的阿尔卑斯山、北美的落基山都是著名的焚风区。

焚风在有些地方有其独特的“地方性”名称,如北美落基山称为钦诺克风,西西里岛等地称为西罗克风等。我国不少地区也有焚风现象,例如气流越过太行山下沉时,位于太阳山东麓的石家庄就有焚风出现。出现焚风时,石家庄的日平均气温比无焚风时约增高10℃左右。

焚风在春季可引起积雪融化,在夏季可使粮食、水果早熟。强大的焚风还会引起雪崩、森林起火等灾害,对环境造成影响。

风能将污染物吹向远方,使有害物的浓度大大降低,风对污染物的影响与风向、风速有关。

自然界中的风不是均匀平稳的,风速时大时小,并不规则,风向也常有摆动,关于这点,我们从烟囱排出烟尘的运动可以清楚地看出来,这种自然情况下风的不规则运动叫做大气湍流。湍流对烟的排放有很大影响,湍流愈强,污染物的扩散就愈易。

下垫面的特征可以影响大气的运动,下垫面愈粗糙,摩擦力愈大,气流运动受阻,风速减弱也愈明显。摩擦作用不但可使风速减弱,还能产生涡旋影响风场的垂直结构。

随着高度增加,气温亦下降,近地面层不仅吸收太阳的短波辐射,还吸收地面长波辐射,这样地面气温会产生显著的日变化,从而影响大气运动。当气温垂直递减率大时,湍流强烈;有逆温存在时,湍流减弱。

风速能使污染物水平扩散与稀释,风愈大稀释愈快,污染物浓度愈低,假定各种条件一致,那么下风向任何一点的浓度与风速成反比。在近地层风速随高度而呈对数增长。

风向与污染源四周的污染程度有关,在大风的情况下,污染源下风向的污染物也可迅速稀释掉,小风时污染物会在下风向聚集,使下风向受害。某一地区的某一风向频率越多,在其下风向的污染机会也越多,亦即下风向的污染程度与风向频率成正比;而某一方向的风速越大,下风向的污染程度也会减少,即污染程度与风速成反比。为反映风向和风速的综合作用,可使用污染系数来表达:

污染系数=风向频率/平均风速

我们在前面说过,风速常用风级表示,共分12级,也常用米/秒表示。6级风速相当于12.米/秒,8级风速相当于19米/秒,风速大于0.6米/秒为12级。6级风使大树枝摇动,电线呼呼有声,举伞困难;8级风可折毁树枝,人前进阻力甚大;12级风就是摧毁性的了。

关于大风造成的灾害就不用说了。报纸经常有大风摧毁房屋、刮断树木的报道。北京就曾有过广告牌被风刮掉砸死人的事,也曾有过高空作业的工人被风刮落地面造成死亡的事。

风能造成那么多灾害,大风就一定不好吗?不一定!风能是重要的清洁能源,风力发电、风力提水、风帆助航就是风能的重要应用途径。

台风时常带来狂风暴雨,造成严重灾害。自50年代以来的50多年中,全球10种主要自然灾害造成的死亡总人数00万人左右,其中以台风造成死亡的最多,占40%多。而且,一次灾害造成死亡人数最多的也是台风。

1970年11月袭击孟加拉湾的热带风暴,造成0万人死亡。全世界平均每年生成台风80个。20世纪70年代,平均每年造成直接经济损失60~70亿美元,死亡2万人。

到了20世纪90年代,由一次台风造成的经济损失可高达十几亿到上百亿元。近年来,随着对台风监测手段的改进和预报水平的提高,死亡人数趋于减少。

台风造成的灾害主要有种:暴雨和洪涝,强风和海浪,风暴潮。

我国暴雨的前两名发生在台湾,都是台风创造的。

我国大陆暴龙卷风之谜

龙卷风是从强流积雨云中伸向地面的一种小范围强烈旋风,在美国叉被称为“旋风”,它属于一种常见的自然现象。龙卷风来势凶猛,破坏力往往会超过地震,因此,世界各国都十分重视对龙卷风的研究,但是龙卷风之谜至今未能彻底解开。

据统计,全球平均每年发生龙卷风上千次,而且每次都会造成不同程度的人员伤亡和财物损失。龙卷风外貌奇特,上部是一块乌黑或浓灰的积雨云,下部是下垂着的、形如大象鼻子似的漏斗状云柱,自云底向下伸展。

龙卷风通常发生在夏季的雷雨天气,具有小、快、猛、短的特点。它的活动范围很小,一般只有方圆25~100米,在极少数的情况下可达到1000米以上。同时,它的风速非常快,来去无踪,大多数情况下,龙卷风在接触地面之前就会消失,不过,一旦到达地面,它的强劲之势便能够摧毁一切,犹如一台巨大的吸尘器扫过地面。龙卷风经过水库河流时,会卷起冲天的水柱,有时水库河流的底部都会暴露出来。此外,因为龙卷风力大,可以横扫一切,所以有人把它形象地称为“破坏之王”。幸好龙卷风的“寿命”并不长,通常只持续几分钟或几十分钟,最多几小时,否则它所造成的灾难和损失将无法估量。

发生的地点不同,龙卷风的名称也不同,如果发生在水面则称为“水龙卷”;如果发生在陆地上则称为“陆龙卷”。然而,无论是哪种类型的龙卷风,危害性都非常大,平均每年可导致大量人员伤亡。

龙卷风在世界各地都曾出现过,其中美国是受龙卷风侵害最多的国家,素有“龙卷之乡”的称谓,平均每年有750次龙卷风,经常发生在4~6月。在美国中西部,龙卷风是一种严重的自然灾害,因为龙卷风常成群出现,所以具有非常可怕的破坏力。从1985—1994年,美国平均每年发生龙卷风的次数超过1000次,造成约50人死亡,逾千人受伤,经济损失超过80亿美元。

1879年5月0日下午,美国堪萨斯卅I北方的上空有两块浓密的乌云慢慢合并在了一起。15分钟之后在云层下端产生了一个旋涡,并且迅速增长,逐渐变成一根顶天立地的巨大风柱,它在三个小时内像一条龙似的在整个堪萨斯州胡作非为,所到之处一片狼藉。然而,最令人震撼的一幕是,当凶猛的龙卷风旋涡横过一条小河后,遇到了一座陡峭的岩壁,这显然是个无法逾越的障碍物。此时,急躁的它迅速扭转前进方向,竟然将一座75米长的铁路桥从石桥墩上“拔”起,扭了几扭后抛到水中。后来经相关专家的推测,这次龙卷风漩涡壁气流的速度已经超过音速。

居住在美国俄克拉荷马州的一对夫妇曾经历过一件非常离奇的事情。在一个晴朗的夏日,他们正躺在床上休息,突然一声刺耳的巨响将他们惊醒。夫妇二人不约而同地坐起来,相互看了对方一眼,都以为这声音是在梦中听到的,所以又重新躺下。可是,当他们环顾四周时,却发现自己的床已经被搬到了荒芜的旷野,附近没有任何建筑,也没有牲畜,只有一把椅子还留在身边,他们睡前折叠好的衣服仍然整齐地放在上面!他们后来才知道,将自己移居荒野的原来是一股强烈的龙卷风。

龙卷风虽然经常发生,可是人们对它的规律却不甚了解,它的一些“古怪行为”的确令人难以捉摸,例如,它把碗橱从一个地方刮到另一个地方,却没有打碎里面的一个碗碟;它常常把人们抬向高空,然后又平平安安地送回地上;有时它会席卷一切,而有时在其中心范围内的物体却丝毫无损;在它经过的路线上,经常将房顶刮到两三百米以外,然后抛到地上,可是房内的一切却保存得完整无损。

除了上述的“古怪行为”之外,龙卷风的结构至今仍有很多不清楚的地方。因为龙卷风威力极强,研究人员如果从下面靠近它,会有致命危险;而龙卷风又是产生在巨型积雨云下方,所以也无法由上空观测,因此,科学家只能进行远距离观测或利用雷达。

一般来说,小龙卷风的寿命很短,但当多股小龙卷风融合成大龙卷风时,它的寿命就会大大延长,威力也成倍增长。因此,有时会出现一种非常有趣的现象——大龙卷风内部包含着很多“迷你型”龙卷风。

龙卷风给人类带来了很多无可挽回的损失和灾难,人类在对它进行深入研究的过程中,也积累了不少与之斗争的经验。有些科学工作者专门总结出了对龙卷风的防范措施:如果龙卷风袭来时你恰好在家中,一定要远离门、窗和房屋的外围墙壁,尽量躲到与龙卷风方向相反的墙壁或小房间内抱头蹲下;如果在电杆倒、房屋塌的紧急情况下,应及时切断电源,以防止电击人体或引起火灾;如果在野外遇到龙卷风时,应寻找距离最近的低洼地伏卧,但是切记要远离大树、电线杆,避免被砸、被压和触电的危险;如果在驾车外出时遇到龙卷风,千万不能开车躲避,也不要在汽车内躲避,因为汽车对龙卷风几乎没有防御能力,应立即离开汽车,到低洼地躲避。通常,躲避龙卷风最安全的地方是地下室或半地下室。

龙卷风的成因,人类目前还没有定论。虽然大部分科学家认为与局部地区受热而引起上下强对流有关,但是还没有找到强对流可以产生龙卷风的科学依据。

苏联学者维克托?库申曾提出了龙卷风的内引力热过程的成因新理论:当大气变成像“有层的烤饼”时,里面很快形成暴雨云,大量已经变暖的湿润空气朝上急速移动。同时,附近区域的气流迅速下降,形成巨大的漩涡。在漩涡里,湿润的气流沿着螺旋线向上飞速移动,在内部形成一个稀薄的空间,空气在里面迅速变冷,水蒸气冷凝,因此人们观察到的龙卷风就像雾气沉沉的云柱。

然而,让人无法理解的是,在某些地区的冬季或夜间,并没有出现强对流或暴雨云,为何脾气暴躁的龙卷风依然频频光顾呢?

龙卷风的风速究竟有多快,科学家们还没有直接用仪器测量过,因为它的风力太强,普通测量风速的装置根本无法操作,所以很难得到准确的数据;但根据经过时建筑物的损坏程度以及飞扬物体的打击力度来估计,其风速一般每秒达50~100米,有时甚至达到每秒00米,堪称破坏力最强的小尺度天气系统。

龙卷风的破坏力为什么这样强大呢?这是因为,龙卷风在高速旋转时,由于离心力的作用,中心气压值很低,它所造成的气压差能使周围空气急剧流向中心,形成非常强烈的大风。大多数龙卷风在北半球是逆时针旋转,在南半球是顺时针旋转,有时也会出现特殊情况。

我们相信,随着科技的迅速发展,人类会掌握更多关于龙卷风的信息,从而减少由它引发的灾难和损失。

闪电中的电从哪儿来

我们会认为电都是从发电厂来的,水滴组成的乌云中怎么会放出电来呢?不过乌云中的确有电,这页纸里也有,甚至连你的身体里都有。

无论是乌云还是树木,或者是人体,一切物体都是由原子组成的。每个原子的中心都存在一个由若干个带正电荷的质子和若干个不带电的中子组成的原子核(除了一种最简单的氢原子,它的内部没有中子)。在原子核的周围,是绕核运动的带负电的电子。正负电荷相互吸引,所以围绕在原子核周围的电子就像围绕在蜂窝周围的蜜蜂。

质子和电子之间的引力是一种电磁力。我们视力可及的范围内处处有电,只不过它藏在了原子里面。通常情况下,一个原子内的正负电荷数目相等,所以由原子组成的物体,比如说你的身体,整体上不会带有正电或负电。这样,你走来走去碰到别人时也不会触电。

但有时,原子内的正负电荷也会失去平衡,你或许也有过这样的体验。比如说寒冷的冬天,你待在自己的温暖小屋里。我们假设房间里的空气非常干燥,你拖着鞋在羊毛地毯上蹭来蹭去,不知不觉中,地毯上和鞋上的一些原子就会失去部分电子。

此时,你身上的电子数和质子数不相等,正负电荷不能互相抵消,所以整体上看你就成了带电体。这时如果用手去碰金属门把手,就会在你的手掌和门把手之间形成一个微弱的电流,于是你就产生了电击的感觉。

正负电荷之间相互吸引的力就是电力。电力使电子在你的手掌和门把手之间流动,使你自身的电荷重新恢复平衡。如果房间里很暗,你还可以看见火花,这是因为电子在跳跃时会放出光子。要是房间里还很安静的话,你甚至可以听到噼啪声。

我们周围时时处处都有电存在,云朵里也不例外。在阳光明媚的晴天,云彩安静地飘在空中,一点也看不出它具有什么威力。不过云朵也会聚集起电荷,所以当天空中乌云密布时,千万要小心。如果云层中的电子发生流动使原子恢复电荷平衡,就会出现闪电,还有轰隆隆的雷声。

当黑压压的乌云里有气流吹过时,云中的颗粒相互碰撞——包括从海洋里蒸发出的盐、灰尘等。就像鞋在地毯上摩擦会释放出电子,这些颗粒在碰撞之后也会释放电子。颗粒如果失去了电子,就带上正电荷;如果得到了多余的电子,就带负电。

从实际情况来看,较重的物质颗粒比较容易带上负电荷,而重量轻的颗粒则容易带上正电荷。不过具体原因是什么,科学家至今还不是很清楚。云层的下半部分是质量较大的颗粒集中的区域,所以这里通常带有负电荷。

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