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风是怎么形成的?
简单地说,风是空气分子的运动。要理解风的成因,先要弄清两个关键的概念:空气和气压。空气的构成包括:氮气(占空气总体积的 78%)、氧气(约占总体积的 21%)、水蒸气(在地表附近约占总体积的 1% 至4%)和其他微量成分。每一次呼吸,我们吸入的空气都包含着上述比例的各种分子。而在地面附近,每立方英寸(1 英寸约等于 2.54厘米)的空气约含有 1020 个分子。 所有空气分子以极快的速度移动着,它们与其他空气分子及所有地面附近的物体迅速碰撞。气压可以定义为:空气分子在一定面积上施加的压力大小。一般而言,某个区域的空气分子越多,这个区域的气压就越大。而风是气压梯度力作用的结果。在特定水平距离,气压的变化使得空气分子从气压较高的区域涌向气压较低的区域。我们所感受到的风就源于所有尺度上的此类水平压差。 大部分显示在气象图上的高压带和低压带,形成的只是平日里的微风。而产生微风所需的气压差只是大气总压力的 1%,这种气压变化在许多区域范围内都会出现。相对而言,强风暴源于更大、更集中的气压区域性变化。龙卷风就是不错的例子。2003 年 6 月,美国应用研究联合公司的蒂姆·萨马拉斯(Tim Samaras)在南达科他州曼彻斯特市附近一场 F4 级(毁灭性的)龙卷风的直接路径上放置了一个科学探测器,他发现该龙卷风半径范围上的气压与总的大气压相比下降了 10%。气压变化的程度之大以及发生的距离之短,解释了龙卷风为何极具毁坏性。它出现时,空气分子很快地向龙卷风中心的低压区汇聚,该区域空气中包含的水分凝结,形成可见的“漏斗云柱”现象。
空气是怎么变潮湿的?
湿度用来表示空气中的水分多少。随着蒸发和凝结的循环往复,湿度也在不断变化。地球表面的水,也就是江河湖海中的水以水蒸气的形式气中,空气不断吸收水分,直到饱和。此时,水蒸气凝结成云,并以雨或雪的形式重返地球表面。 电视上的天气预报员经常提到的相对湿度是指空气中水分含量与空气能够承载的水分总量的比值。热空气能承载的水分含量比冷空气多。不考虑温度因素,当空气中的水分含量为它所能承载量的一半时,相对湿度就是 50%。天气预报员强调相对湿度的原因是,当高的相对湿度伴随高温来临时,人会感觉不适。因为人体需要依靠汗液蒸发来降温,而当空气已经达到饱和状态时,人体将无法排汗。 气象学家还要测定空气的露点,也就是空气达到饱和状态时的温度。雾天里的冰茶是一个很好的例子,用它可以说明这种效应。上文已提到,热空气比冷空气能承载更多水分。因此,当茶杯周围的空气冷却到露点时,就会使水留在玻璃杯的外表面。而在大气中,空气达到露点时就会形成云。不过空气中的水不是凝结在玻璃杯上,而是凝结在空气中的微尘颗粒上。当降到露点以下的空气足够多,形成的由沙尘和水滴组成的云足够重时,降雨就形成了。
地震是怎么停止的?
简而言之,当积蓄的能量,也就是驱使地震发生的能量,不能再克服阻碍地震的摩擦力时,地震便停了下来。 为了了解这种制动过程,首先要弄清楚地震发生的原因。地壳中的岩石受力断裂为两块,这样的地质结构被称为断层。聚集在断层周围的岩石被摩擦力固定。随着时间的推移,地壳的大陆级地块,即构造板块的运动,使岩石沿着断层发生弯曲和拉伸,像压缩弹簧那样,将能量注入这些岩石。 当这些不断积蓄的力量超过固定这些岩石的摩擦力时,断层上便形成裂缝,并不断扩大,断层开始滑动。这种滑动释放出岩石积累的一部分能量,发出地震波。地震波传送到地表会给该地区造成相当大的破坏。 一旦地震将能量释放完毕,或者它碰到足够大的摩擦力时,地震便会停止。就像滑雪者从雪上滑行到泥土上,如果地震遇到无法轻易滑动、拥有较大摩擦力的物质时,就会停下来。此外 如果地震到达最近发生过地震的另一个地区,它也会停下来,因为这样的地区已经没有足够大的累积能量。还可能是因为地震到达了断层尽头,所以停止了;此时从完整岩层上切分出一个新的断层所需要的能量,远远超出将现有断层破裂所需的能量。 但是地震也能从一个断层跳跃到另一个断层,通常是从 4000 米外的地方跳跃过去。因此,正如你从来就不知道一场大地震将何时发生一样,你也很难知道它会在何时何地停止下来。
彩虹为什么不是笔直的?
阳光穿过雨滴发生折射,便会形成彩虹。折射是指光从一种介质进入另一种介质时传播方向发生偏转。阳光在水中的传播速度没有在大气中那么快,因此它在碰到雨滴时方向会略微偏转;阳光离开雨滴回到空气中时,再次发生偏转,重新以原来的速度传播。当阳光以合适的角度射入雨滴,会在雨滴中发生折射。折射的光线进入我们的视野,我们就看到了彩虹。 不同颜色的光,波长各不相同。因此在两种介质间传播时,它们的折射角度略有不同。这就是为什么彩虹以连续的彩色光带形式出现,红色在最上面,紫色在最下面。 通常情况下,雨滴呈球形。想象一个连接雨滴中心与太阳的虚拟轴,阳光受到雨滴的影响所产生的光学现象就是沿此轴呈轴对称分布。因而彩虹是以对日点为圆心的圆。所谓对日点,就是从观察者角度看正好与太阳位置相反的点。我们观察不到整个圆,是因为圆的一部分被地球挡住了。太阳离地平线越近,我们看到圆的部分就越多。如果是在日落的时候,我们就能看到彩虹的半个圆,拱形的顶部在地平线以上 42 度。天空中太阳的位置越高,在地平线以上的可见圆弧就越短。
月球对地球的大气层也有潮汐作用吗?