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空气运动的起动力

        为什么会有风?空气在什么力量的推动下才发生运动?这是一个非常复杂的问题,通常有四种力是必考虑的。这就是:气压梯度力、地转偏向力、摩擦力和惯性离心力。它们对空气运动,即对风的方向和速度都有作用,风是它们综合作用的结果。
        气压梯度力是由于气压分布不均匀,空气就从气压高的地方向气压低的地方流动,“水往低处流”,空气也是这样。因为高、低压差,使得它们之间形成一种力,气压差越大,这种力也就越大。就像物体从楼梯上滚下来,楼梯越高越陡,物体就滚得越快。所以,这种力称为气压梯度力。显然,气压梯度力的大小与气压梯度成正比,与空气密度成反比,力的方向是从高压指向低压,在大气温度为0°,大气压力为1013.25百帕的标准温压条件下,空气密度是1.293千克/米。这时候,如果出现1百帕/赤道度的气压梯度,就能产生7×10-4牛顿/千克的气压梯度力。不要小看这个力,只要经过一定时间,就能产生很大的速度。例如,3小时后,就能使风速从零增大到7.6米/秒。持续10小时,就会使风速增大到25米/秒。这就说明,气压梯度力是形成风的原动力。不过在事实上,在空气开始运动后,会有其他动力来与气压梯度力相平衡,以达到空气的常速运动。所以,尽管比较小的气压梯度,也可以引起很大的风速,而各种力的相互平衡作用,能使风速不可能无限地增大。
        在我们这个地球上,地球自转速度很快,有464米/秒,自转一圈有40074.25公里,以华里计算为80148.50里,真是名符其实的“日行八万里”。在这样高速自转的影响下,不可避免地要影响地球上物体的运动。在北半球,运动着的物体,常因地球自转作用,产生了使物体在其前进方向往右偏转的力,这个力因地球自转引起,所以称为地转偏向力。在南半球,地转偏向力的作用,则使运动着的物体在前进方向往左偏转。
        地转偏向力属于一种惯性力,是由地球自转而产生,所以,只有当物体运动时才能表现出来,而且它的方向永远垂直于物体运动中的瞬时速度的方向。地转偏向力只改变物体运动的方向,而不改变物体运动速度的大小。
        产生地转偏向力需要三个条件:一是地球自转;二是物体运动;三是物体运动方向和地球自转有交角。三个条件缺一不可,只有前两个条件,而无第三个条件,即运动方向与地轴平行时,例如在赤道上的南风和北风,都不会发生偏转,两极地区的垂直运动,也不会发生偏转。这些条件和特点,对 于我们认识地转偏向力的作用很有好处。
        地球自转的另一个结果,是物体产生离心力,从物理学可知,离心力永远是在纬圈平面上,方向是沿着纬圈的曲率半径从地轴向外,而力的大小与运动物体的线速度的平方成正比,与曲率半径成反比。离心力与地转偏向力一样,都属于惯性力,只能改变运动的方向,不能改变运动的速度,所以也称为惯性离心力。惯性离心力通常比地转偏向力小,但是,右低纬度地区,或空气运动速度很大,而曲率关系很小时,也可能达到较大的数值,并可能超过地转偏向力。
        空气的乱流运动可能在上、下层之间有差异,方向可以不同,速度也可以不一样,这时就可能产生摩擦,称为内摩擦力,乱流作用越强,内摩擦力也就越大。近地层空气运动和地表面之间也会产生摩擦力,称外摩擦力,它是地表面对空气运动的阻力,方向与空气运动方向相反,并偏向一边约35°,大小与空气运动速度及摩擦系数成正比。
        内摩擦力与外摩擦力总称摩擦力,它使空气运动速度减小,方向往一边偏离,摩擦力越大,偏离也越大,在海洋上偏离角度要小些,约10°左右。在陆地上偏离角度可达35°左右。摩擦力的大小与高度有关系,在近地层 30~50米处摩擦力最大,到1000~2000米已不显著。所以在这个高度以下,称为摩擦层,以上则称为自由大气。
        从上述各种力可以看出,只有气压梯度力才可以使空气从静止状态产生运动,是空气运动的起动力。其他力只能改变空气运动的方向或速度,并只有当空气已经运动时才会发生,不是空气运动的起动力。

        注:13~17级风力是当风速可以仪器测量时用之。


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