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地球大气运动学说发现极简史

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发表于 2020-11-3 10:47:16 | 显示全部楼层 |阅读模式


品质源于技术 服务源于态度
这是阿什卡微信公众号的第814篇原创文章
首发于2020年10月21日


1  小尺度观察

早在古代,人们就隐约意识到,看似自由自在的风,似乎是守规矩的,而且会踩着季节交替的节奏,来切换风向。有诗为证:

北风其凉,雨雪其雾。

昨夜西风凋碧树。

四月南风大麦黄。

东风且伴蔷薇住。


根据《淮南子》记载,中国古人认为,春夏秋冬四季,分别由东南西北四方的神仙掌管,到啥季节刮啥风。

到了东汉,又用阴阳代替了神仙。

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但是,规律中又藏着放荡不羁的变数,南方人和北方人的看法又不统一,所以全球古人只能在本族群生活的范围,观察、描述个大致情况。




2  大尺度观察

到了600多年前,郑和下西洋的时期,人类开启了大航海时代。

航海和风的关系,就大了去了,因为风是帆船的主要动力。

在海上,风向似乎更有规律。每年,到了相同的季节,相同方向的风就会如约而至,比信用社还讲信用,所以中国人称之为“信风”。

利用信风坐船出去浪,节能环保效率高,于是浪的范围也就越来越大。

400多年前,麦哲仑率船队越过南半球的西风带,驶向太平洋,发现风向切换成了东南风,吹得船一路向西,这正是太平洋的方向,开始以为是偶然运气好,后来发现一直运气好,几个月的航程都是一路顺风。

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再后来,人们意识到,这是跨越大洋的大尺度信风。

那时候,哥伦布已经误打误撞发现了美洲大陆。接着大家发现美洲没马,于是西欧商人纷纷用船往美洲贩马。但是贩马途中,发现了许多诡异现象。

西欧和美洲,就隔个大西洋。所以大家想,贩马航线,无非就是一路向西横渡大西洋呗。

然而,马贩子们很快发现,问题没那么简单。

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西欧大致在北纬40°~60°附近,对岸是北美,从这个维度横渡大西洋,总是顶风,顶风作案成本太高。

那就往南找找航线吧。

但是,船队沿着北纬30°附近航行时,海面常常没风。原地等风吧,风没来,马倒是缺吃少喝纷纷死去,马肉吃又吃不过来,只好就地海葬,于是这个无风带就被叫做“马亡线”、“马维度”。

1488年,葡萄牙航海家迪亚斯带领两艘小船,直奔非洲南部,到了南纬40°附近时,遇到一场大风暴。风大能吹不要紧,关键是太能吹、一直吹。一吹就是16天,一直把两艘小船吹到非洲南端的一个岬角,总算靠了岸,于是迪亚斯管这个岬角叫“风暴角”。葡萄牙国王感觉这里是通往富庶东方的希望,赐名“好望角”。

后来人们发现,大风暴不是偶遇,而是在那个纬度常驻,于是那个西风带被称为“咆哮西风带”。

随着观察尺度的增大,人们发现一个更加神奇的规律:

定向风带、无风带,似乎都顺着纬度,平行分布,而且似乎在南北半球对称分布!

这是谁设计的,又是什么力量掌控的呢?




3  图表分析规律

1686年,英国天文学家哈雷——对,就是牛顿的好朋友、算出哈雷彗星回归周期的那个哈雷,他收集整理海上测风资料,形成图表,综述了三大洋盛行的风,正确刻画了热带风:赤道无风,赤道以北盛行东北信风,赤道以南盛行东南信风。

哈雷认为,太阳给赤道供热比较多,所以形成了信风。

两年后,哈雷又绘出了北纬30°到南纬30°的信风分布图,这是首幅全球信风分布图。

有了这张图,航线安排就更节能高效了,弄好了往返都是顺风。从英国到澳洲,以前要250多天,按图走,150天左右就到。

实用性的激励,加上对神奇现象的好奇,让人们更加积极地收集、完善资料,以供科学家更加深入地研究探讨。

1735年,英国另一位天文学家哈德莱发表《信风的起因》,正确解释了信风现象,创立了“经圈环流”理论。

哈德莱认为,赤道地区空气受热上升,在上空向极地流动,而到了极地,空气受冷下降,在近地面向赤道流动,于是形成了沿着经线运动的大环流圈。而地球自转,会影响气流水平运动的方向,让它在北半球向右偏,南半球向左偏,这就是赤道两侧东北信风、东南信风的由来。

哈德莱的理论虽然粗糙,但大方向是对的,所以人们把低纬度的经圈环流叫做“哈德莱环流”,向他致敬。

4  理论发展完善

哈德莱虽然意识到,地球自转会让气流偏转,但不知道这是啥原理。

1835年,法国气象学家科里奥利发现,在一个旋转体系里,由于各处转速不同,物体在惯性作用下,运动路线会产生相对偏移。

就像铁道游击队跳火车,也会因惯性发生偏移一样。

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人类把这种无法拒绝的、不以人的意志为转移的偏转,看作一种力,称作科里奥利力。

地球作为一个旋转体系,自然逃不掉科里奥利力。

1856年,美国人费雷尔首次把科里奥利力引入大气环流计算,用数学证明了气流受地球自转影响而偏转。

费雷尔还提出,中纬度地区也应该存在一个经圈环流,形成了盛行西风带,解释了迪亚斯遭遇的咆哮西风带,它的流向,与哈德莱环流正好相反,所以被称为“逆环流”。当然,为了纪念费雷尔,也叫“费雷尔环流”。

有了科里奥利力的加持,我们就很容易理解大气、洋流的偏转了。

地球自转,赤道的线速度最快,达到了465.18米/秒,妥妥的超音速。越往两极越慢,到南北极点,理论上,线速度就减到了零。于是——

从赤道出发,朝高纬度——也就是往两极方向飞的物体,会带着超音速的惯性速度,一路向东偏转,这在北半球就是沿着前进方向往右偏,在南半球就是沿着前进方向往左偏。

相反,从高纬度出发,朝低纬度——也就是往赤道方向飞的物体,因为向东的惯性速度赶不上低纬度的地球自转速度,看上去就一路向西偏转,这在北半球还是沿着前进方向往右偏,在南半球还是沿着前进方向往左偏。

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后来,人们又发现了高纬度经圈环流,也叫极地环流。这套环流的流向,又与费雷尔环流相反,形成了极地东风带。

注意,因为我们人类比较矮,在地面生活,因此所谓的东风带、西风带,说的都是近地面的气流方向,在高空,气流方向正好相反。

至此,人类就集齐了地球上的所有风带。




5  从整体上理解环流

大气环流的形成,有两大动力:

第一动力,是太阳提供能量。

由于地球是圆的,阳光入射的角度就不同,造成受热不均:纬度越低越热,纬度越高越冷。

空气受热体积变大,相同体积就更轻,于是上升,于是压力变低(低压带),别处空气就水平流过来补充,这就是我们感受到的风。

低压带空气上升到高空,不可能越堆越高,当压力大于两边时,就向两边水平流动,在高空形成了风。热量散发出去后,又变冷下落,回到地面加温,形成高压带。如此往复循环。

南北半球上,都有三个风带,每两个风带之间,就是低压带/高压带。

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这样,全球就有七个气压带,用压力差供养着六个风带。

低压带、高压带的气流,以上下运动为主,水平运动较少,所以风力微弱。

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欧洲马贩们当年等不来风的地方,就是副热带高气压带。

第二动力,是地球自转提供的。

就是前面聊过的科里奥利力。科里奥利力让南北运动的气流发生偏转,形成南北半球反向对称的环流。

如果地球是个均匀的、标准的、老老实实自转的球体,大气环流也会比较均匀和固定。然而,地球表面和运动都很复杂,这些复杂因素都在影响大气环流,所以风遵守大规律,却不太注意细节,以至于我们感受的风向、风力总是那么捉摸不定。



不过,不管怎么复杂,地球大气环流变化,总体上有三大影响因素:

第一大因素,海陆差异。

水的比热容大,而且水可以流动,形成洋流,所以相同纬度下,季节变化导致的温度变化,海洋变化就小,陆地变化就大,这样就导致,海、陆之间的温差常常比较大,影响气流走向。

相比而言,海水的温度比陆地稳定。所以,总的规律是:

夏季,陆地快速变热,成为相对热源,海洋成为相对冷源。

冬季,陆地快速变冷,成为相对冷源,海洋反转为相对热源。

由于陆地分布不均,加上季节切换,造成了环流的千变万化。南半球陆地少,北半球陆地多,所以南北环流在总体对称的基础上,也有不小的差异。

第二大因素,季节变化。

我们知道,地球自转轴与它的绕日公转面并不垂直,而是成66°34′的夹角。

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于是随着地球的公转,太阳直射点就在赤道两侧摆动,造成了四季变化,所以可想而知,风带也是随之南北摆动的。

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第三大因素,地表摩擦。

大气与地表相对运动,必然会产生摩擦阻力。这个阻力,在海洋上还算均匀,但陆地就不一样了,高山、平原、沙漠、森林……不同地方,各种摩擦、阻隔,千变万化,气流的动量、角动量损耗变化也就微妙无比,说人话就是:对气流速度、走向产生了微妙而又千变万化的影响。

这些变化,加上海水蒸腾,随着气流运移,变换成风霜雨雪,形成了全球千变万化的气象。

亿万年来,地球大气环流孜孜不倦地搬运着物质,雕刻着地球,塑造者生命,为建设地球特色的和谐环境做出了不可磨灭的贡献。

-END-


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