科普小知识 | 风是怎么产生的？让我们来探究风的起源

时间：2024-09-06 点击数：

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5.15×1018 kg。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。

大气压的测量

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。

大气压力会随温度变化而发生变化

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。

全球主要气团，颜色表示冷暖

· 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。

大气环流形成原因

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。

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。

科里奥利力在转盘上的模拟，铅笔移动方向代表流体运动方向

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。

因科里奥利效应，北半球高压区风向为顺时针，低压区为逆时针

· 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。

科学家为研究湍流现象制造的漩涡

· 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。

山脉会产生垂直方向的振荡风

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。

海风与陆地风的产生因沿海局部气压差引起，造成昼夜风向不同

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。