地球大气运动学说发现极简史

刘萝卜锅

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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

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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。

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。



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。



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？

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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。

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。



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。

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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。



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。



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。

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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。



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。





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-

地球故事目录：

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• 与月亮有关的三个谜题
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刘萝卜锅

cravat 发表于 2020-11-5 21:49
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这个好