互动科普

大家对旋涡可能不陌生吧，旋涡是一种自然现象，往往发生在剧烈流动的流体中。如果你没见过旋风，总该见过“旋水”吧，若都没见过，你可以在自家的水池中装一池水，然后拔掉塞子，随着水的排出就很可能形成旋涡。在地球上最大尺度的旋涡现象就是热带风暴（或飓风），中等尺度的如龙卷风等，相信大家都听说过。

其实多加留意的话，到处可见旋涡现象，湍急的水流中，骤变的风中都可形成旋涡。流体中的旋涡是能量相对集中的地方，较大的旋涡常常会带来大的破坏性。虽然各种不同的旋涡在形状上基本相同，但形成机制却各有差别。比如，龙卷风和热带风暴都是大气旋涡，形成机制却不同，热带风暴尺度较大，形成后往往能维持数天，而龙卷风一般只能维持十几分钟。虽然规模不大，但龙卷风有时破坏性也是极强的。龙卷风的中心气压很低，具有很大的吸力，可把湖水吸离湖面，形成水柱，同云相接，俗称“龙吸水”；有时也能把大树连根拔起，把建筑物吹倒，或把部分地面物体卷至空中。

对于大尺度的热带气旋已经有了较成熟的理论解释（在热带海洋上形成），但龙卷风是如何形成的呢？目前还没有确切的答案。不过，一般认为，潮湿温暖的空气和干燥寒冷的空气在内陆地区相遇，暖空气向上移动，冷空气向下移动；这时产生的上升气流在空中形成一个积雨云“雷暴单体”；由于某种原因，从这个积雨云垂下一条漏斗状云；有了漏斗状云之后，地表剩余的暖空气便被卷入这条漏斗状云内，旋转着螺旋上升。这种强烈旋转上升的气流就是“龙卷风”。

与热带气旋不同，龙卷风是在积雨云中首先形成的，然后向地面发展。虽然机制有些复杂，我们是否能近似地模仿这一现象来进行观察呢？答案是可以的。我们先来“制造”一个旋涡，看看流体中是怎样形成旋涡的。准备两个口对口连通在一起的饮料瓶，两个瓶口对接的时候一定要密封好，但在密封之前我们需要在一个瓶子当中注入清水，当我们把有水的瓶子朝上的时候迅速旋转一下瓶子，然后随着水流从上瓶流到下瓶，就会产生美丽的旋涡了。

这种水的旋涡形状上确实很像龙卷风，但它的形成机制与龙卷风还是有差异的。我们能否利用气流的流动“制造”一个接近于自然界的气流上升形成的龙卷风呢？

在模拟之前，必须要做些准备。首先，空气是透明的，即使形成了旋涡恐怕也看不到。用什么方法能让空气被看到呢？龙卷风之所以能被看到，因为它主要是由云构成的，我们不妨采用云雾或者烟雾把空气“染上”颜色。怎样给空气“染色”，而且要无毒无害，又能维持较长时间呢？试验了很多材料后，我们决定采用“干冰”。干冰又称固态二氧化碳，它的熔点为-78.5℃，在常温下，干冰的低温会把周围空气中的水蒸气冷凝，显现出白色的蒸汽。一般情况下，空气中的水蒸气含量不是很高，这样产生的蒸汽量有限，但如果遇到热水就会冒出大量的“白色烟雾”，效果比较明显。这种烟雾并不是烟，而正好像云一样是温度非常低的小水滴。这样，利用这些小水滴形成的云雾，把空气染成白色，我们就能看到模拟出来的近似的龙卷风了。

当然这只是第一步，要模拟龙卷风，我们还需要一股非常强大的上升气流。大家想一下，我们身边有什么东西能制造出强大的上升气流呢？厨房里的抽油烟机可以产生上升气流，但是这个机器体积太大了，也不容易移动操作，我们所采用的是吹风机。吹风机的进气口有很大的吸力，可以形成较强的上升气流。我们觉得这样的气流一定会把空气旋转起来，把“龙卷风”吸起来。于是我们用吹风机的进气口对准了干冰制造出来的烟雾。开始有一些烟雾被吸进了吹风机，但是并无“龙卷风”出现，肯定没有形成旋涡。看来要形成旋涡并不是很简单的事，只有上升气流是不够的。如何让气流旋转起来呢？必须要有一个合适的“扰动”，这也是形成龙卷风的重要因素之一。试验了很多种扰动之后我们发现，一种金属网状的垃圾桶可以帮助我们。我们在垃圾桶下加入了一个转盘，这样桶就可以转动起来，给上升的气流一个扰动，使桶内气流旋转起来，而网状的桶壁又不妨碍气流的上升。具体的操作方法是：把干冰倒入垃圾桶中，再倒入热水使之产生大量“烟雾”，用吹风机的进气口进行吸气的同时，旋转垃圾桶使桶内产生旋转气流。这样一来，就“制造”出我们想要的龙卷风了。

图. 空气流旋转上升形成类似的龙卷风

（本文发表于《科学世界》2015年第10期）