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風——空氣運動的起動力有哪些?

為什麽會有風?空氣在什麽力量的推動下才發生運動?這是壹個非常復雜的問題,通常有4種力是必須考慮的。這就是氣壓梯度力、地轉偏向力、慣性離心力和摩擦力。它們對空氣運動,即對風的方向和速度都有作用,風是它們綜合作用的結果。

(1)氣壓梯度力是由於氣壓分布不均勻,空氣就從氣壓高的地方向氣壓低的地方流動,“水往低處流”,空氣也是這樣。因為高、低壓差,使得它們之間形成壹種力,氣壓差越大,這種力也就越大。就像物體從樓梯上滾下來,樓梯越高越陡,物體就滾得越快。所以,這種力稱為氣壓梯度力。顯然,氣壓梯度力的大小與氣壓梯度成正比,與空氣密度成反比,力的方向是從高壓指向低壓,在大氣溫度為0℃、大氣壓力為1013.25百帕的標準溫壓條件下,空氣密度是1.293千克/立方米。這時候,如果出現100帕/赤道度的氣壓梯度,就能產生7×104牛頓/千克的氣壓梯度力。不要小看這個力,只要經過壹定時間,就能產生很大的速度。例如,3小時後,就能使風速從零增大到7.6米/秒;持續10小時,就會使風速增大到25米/秒。這就說明,氣壓梯度力是形成風的原動力。不過在事實上,在空氣開始運動後,會有其他動力來與氣壓梯度力相平衡,以達到空氣的常速運動。所以,盡管比較小的氣壓梯度,也可以引起很大的風速,而各種力的相互平衡作用,能使風速不可能無限地增大。

(2)在我們這個地球上,地球自轉速度很快,有464米/秒,自轉壹圈有40074.25千米,以華裏計算為80148.50裏,真是名副其實的“日行八萬裏”。在這樣高速自轉的影響下,不可避免地要影響地球上物體的運動。在北半球,運動著的物體,常因地球自轉作用,產生了使物體在其前進方向往右偏轉的力,這個力因地球自轉引起,所以稱為地轉偏向力。在南半球,地轉偏向力的作用,則使運動著的物體在前進方向往左偏轉。

地轉偏向力屬於壹種慣性力,是由地球自轉而產生,所以,只有當物體運動時才能表現出來,而且它的方向永遠垂直於物體運動中的瞬時速度的方向。地轉偏向力只改變物體運動的方向,而不改變物體運動速度的大小。

產生地轉偏向力需要3個條件:①地球自轉;②物體運動;③物體運動方向和地球自轉有交角。二三個條件缺壹不可,只有前兩個條件,而無第三個條件,即運動方向與地軸平行時,例如在赤道上的南風和北風,都不會發生偏轉。兩極地區的垂直運動,也不會發生偏轉。這些條件和特點,對於我們認識地轉偏向力的作用很有好處。

(3)地球自轉的另壹個結果,是物體產生離心力。從物理學可知,離心力永遠是在緯圈平面上,方向是沿著緯圈的曲率半徑從地軸向外,而力的大小與運動物體的線速度的平方成正比,與曲率半徑成反比。離心力與地轉偏向力壹樣,都屬於慣性力,只能改變運動的方向,不能改變運動的速度,所以也稱為慣性離心力。慣性離心力通常比地轉偏向力小。但是,在低緯度地區,或空氣運動速度很大,而曲率關系很小時,也可能達到較大的數值,並可能超過地轉偏向力。

(4)空氣的亂流運動可能在上、下層之間有差異,方向可以不同,速度也可以不壹樣,這時就可能產生摩擦,稱為內摩擦力。亂流作用越強,內摩擦力也就越大。近地層空氣運動和地表面之間也會產生摩擦力,稱外摩擦力。它是地表面對空氣運動的阻力,方向與空氣運動方向相反,並偏向壹邊約35°,大小與空氣運動速度及摩擦系數成正比。內摩擦力與外摩擦力總稱摩擦力,它使空氣運動速度減小,方向往壹邊偏離。摩擦力越大,偏離也越大。在海洋上偏離角度要小些,約10°。在陸地上偏離角度可達35°左右。摩擦力的大小與高度有關系,在近地層30~50米處摩擦力最大,到1000~2000米已不顯著。所以在這個高度以下,稱為摩擦層,以上則稱為自由大氣。

從上述各種力可以看出,只有氣壓梯度力才可以使空氣從靜止狀態產生運動,是空氣運動的起動力。其他力只能改變空氣運動的方向或速度,並只有當空氣已經運動時才會發生,不是空氣運動的起動力。

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