在“热力环流”中,为什么高空空气比近地面空气先开始水平运动?

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在我们的地球周围包裹着一层厚厚的大气层,地球大气层的厚度可以达到2000至3000千米左右。当然地球并不是唯一拥有大气层的行星,太阳系中的类地行星,如金星和火星都拥有大气层。虽然金星、地球和火星都拥有大气层,但是大气压差异极大,金星大气压差不多是地球大气压的92倍,而火星大气压则不足地球大气压的1%,地球适当的体积和质量,形成了适宜的大气层。

“热力环流”中的空气运动

根据地球大气层的温度及其他物理性状的变化,我们可以划分成若干层,最简单的划分是三层,从地面到高空分别是对流层、平流层和高层大气。我们人类就生活在对流层底部,对流层集中了几乎整个大气质量的75%,以及几乎全部的水汽和尘埃,我们所能见到的雨雪等天气现象几乎都发生在对流层中。地球的大气层并不是一潭死水静止不动的,而是处在不停的运动之中,“热力环流”是大气运动的最简单形式。

全球年太阳辐射总量分布图

热力环流是指由于地表冷热不均而形成的空气环流,在一个完整的热力环流中,包括空气的上升运动、空气的下沉运动、高空空气的水平运动和近地面空气的水平运动等四类运动形式。我们发现,在热力环流中总是高空空气比近地面空气先开始水平运动,这是为什么呢?为了探究这个问题,我们需要从热力环流是怎么产生的开始讲起。

热力环流示意图一

我们可以假设一个地表状况完全均一的陆地表面,这个区域中近地面各处的气温完全相同,那么此时区域内各个高度的气压都是相同的,空气处于相对静止的状态,我们可以理解为空气没有运动。我们在区域内近地面设定A和B两个地点,那么此时A、B两地的气压相同,也就是压在A、B两地上方的空气柱质量相同,同时从A、B两地往高空,各个海拔高度两地的气压也是相同的,我们取高空的某一位置,设置A1和B1,此时A1、B1两地的气压也是相同的。

热力环流示意图二

接下来,我们假设A地受热,而B地受冷,那么A地上方的空气就会由于受热膨胀,而作上升运动;B地上方的空气就会由于受冷冷却,而作下沉运动。此时我们再来比较A、B两地的近地面气压,压在它们上方的空气柱质量,并不会因为上升或下沉运动而变化,也就是说A、B两地的气压是相同的,所以近地面不会产生空气水平运动。而A、B两地高空,很明显A1处由于下方空气上升,在其上方的空气柱质量会增加,气压会增大,B1处由于上方空气下沉,在其上方的空气柱质量会减少,气压会减小。

热力环流示意图三

这样一来,高空A1气压会大于B1气压,从而使得空气从A1流向B1,而一旦空气从A地上空流出,而流入到B地上空,那么在近地面B处气压就会大于A处气压,从而促使近地面空气从B地流向A地。至此,就形成了热力环流,空气循环运动,首尾就难以寻找了。“热力环流”现象在日常生活中十分常见,比如海陆风、山谷风和城市风,都是由于地表冷热不均而形成的热力环流。

热力环流示意图四

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