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力学科普-6:呼风唤雨的力学——《谈风说雨》评介 精选

已有 8741 次阅读 2013-6-10 06:16 |个人分类:科海随笔|系统分类:科普集锦| 科普, 力学, 大气, 风雨, 大众力学丛书

马上要过端午节了,人们在吃粽子时会自然而然地想到屈原,想到他的悲惨遭遇,想到他的瑰丽诗篇。我特别想到了他写的《天问》(见链接中的文1)。我们知道,屈原在《天问》中一口气提了172个问题,多数与自然科学(特别是地球物理学)有关,其中的两个问题是:

雨师呼号何以能够兴云雨,他的身躯就像个蚕螟?
风伯飞廉何以能够起风暴,他的形象就如同鹿羚?

令他百思不得其解的是:谁在呼风唤雨?

如今,现代科学(特别是地球物理学)对这个问题已有明晰的回答,知识面宽一点的中学生已能给出大致正确的回答。

然而,倘若问一个深层次的问题:谁是风雨的“推手”?或者问:从科学因素来看,究竟是谁在呼风唤雨?能回答得正确、完善一些就有难度了。

前不久,“大众力学丛书”推出了第14本小册子:《谈风说雨—大气垂直运动的力学》,对这个深层次的问题做了深入浅出、兴味盎然的回答。

此书的作者刘式达和李滇林是资深的地球物理学家,我的同龄人。我与刘式达教授较为熟悉,他曾任北京大学地球物理系主任、中国国家气象学会副理事长,思维活跃,工作勤谨,著述颇丰,迄今已出版学术著作20余本,发表学术论文百余篇。我还认识他的双胞胎弟弟刘式适(音kuo),两人从出生、求学到工作一直相依相伴、不离左右,在孪生兄弟中也不多见,给周围的人带来的困惑是总也分不清这哥俩。有不少著作是他俩联合署名的,哥哥刘式达在写此书时另找了一位伙伴,我还不知道其中缘由。

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                       

这本书讲了些什么呢?我又要“偷懒”了:照抄该书扉页上的“内容提要”:

本书以风、雨为主线,讲解了20个日常生活中普遍关心的大气科学中的力学问题,内容包括天上的云、气旋和反气旋、风的形成、冷暖气团相遇的锋面、龙卷风和台风等。这些大气现象均和力学中的气压梯度力、离心力、科氏力、摩擦力等有关,并用力的平衡和角动量守恒定律等作了解释。本书特别对大气中风和雨的运动形式以恢复力、阻尼力为参数进行了几何分类,复杂的全球大气环流形式便有了通用、简洁的拓扑特征。这样,大气中的力学问题就可用几何、拓扑的方法展示,更加直观和深入。

由于近十年来人们更关注气候变化问题,因此书中也介绍了有关温室气体、全球气候变化、极值天气等问题的基本知识和观点,使得读者能关注力学在大气科学中的最新进展。

本书图文并茂,通俗易懂,可供对力学和大气科学感兴趣的学生和教师参考。

具体说来,作者回答了20个常见的问题:

云为什么会飞上天?

为什么会刮风?

风为什么会拐弯儿形成气旋和反气旋?

摩擦力为什么会使风向气旋内或气旋外吹?

为什么气旋会降水,反气旋会晴天?

为什么风随高度升高而增大?

天气的好坏为什么常与高空槽和脊相联系?

为什么冷、暖气团相遇会降水?

全球空气是怎样流动的?

风暴和龙卷风是怎样形成的?

大气中角动量守恒带来什么?

为什么台风会带来暴风骤雨,为什么有台风眼?

为什么有积雨云就有大雨?

大气是怎样做螺旋运动的?

“杂乱无章”的大旗湍流为什么还会有对称性?

地球表面流场要遵循怎样的与拓扑关系?

天气和气候哪个记忆力好?

为什么要关注温室气体?

“全球气候变暖”的提法对吗?

全球气候变暖,极值天气多了吗?

 

这些问题够好玩的吧!了解了它们的答案,就会更加懂得我们的生存环境,至少更能听懂每天要听的天气预报。作为力学人,我想告诉大家,读了这本书,你能更加明白:力学的确无处不在!尽管大千世界风云变幻,天气、气候变化无常,呼风唤雨的幕后推手是力学

有过乘坐飞机经验的朋友都知道,虽然在风和日丽的日子里,一上蓝天,就能看到“乱云飞渡”的美丽景色,时不时地还会遇到强烈的颠簸:苍天永远不太平。地球人应该感谢上苍,水、空气、阳光孕育了我们的生命,当然,也孕育了司空见惯的风风雨雨。小朋友都知道,在阳光照耀下,温度一高,水就会蒸发,所形成的水蒸气飘飘摇摇地上升,就变成形状各异的云,而天上的云就是雨雪冰雹的源泉,所以“云、雨”二字就经常联系在一起。

坐过飞机的人还知道,随着飞机上升或下降,会感到耳朵生疼,那是因为越到高空气压越低,飞机腾空而起时,耳膜会往外突出;相反,飞机降落时耳膜会往里收缩。这么一折腾,耳朵就感到不舒服了。这种气压变化,就是风的主要来源。

朋友们都知道,地球上有四季轮回、昼夜更替,这也是当年困扰屈原的问题。现在,如所周知,这是地球绕太阳公转并且自转造成的。“上苍”把地球的公转和自转安排得恰到好处,一年365天,一天24小时,井然有序。倘若你到金星上去“过日子”,那里的“一天”比“一年”长呢!地球自转带来很多效应,其中一个效应就是使得风儿不安分,老是拐弯,形成气旋和反气旋;加上空中气流的摩擦,就导致夹带着狂风骤雨的令人害怕的台风、龙卷风。

和风细雨也好,狂风骤雨也好,到底是谁召唤来的?本书的作者告诉大家:是力学,具体说来,是力学中的四种力——四员“大将”。要是这四员“大将”一起“下岗”了,大气就会一片沉寂,风雨就会无影无踪了。这样的日子一定不好过。幸好“大将”们不会“下岗”,除非到了地球末日。

呼风唤雨的第一员“大将”唤作“恢复力”。我们在中学物理学中就遇见过它。一拉弹簧,放手后弹簧就缩回去;一动钟摆,放手后摆锤就转回去;其中起作用的就是恢复力。大气中的恢复力要复杂一点。刘式达和李滇林告诉大家,大气的密度是不均匀的,气团位置稍有变化,就有两种恢复力:正恢复力,主要是重力(万有引力);负恢复力,主要是浮力,这哥俩一较劲,展开“拉锯战”,云彩里的水滴就呆不住了,纷纷下落,这就是雨雪冰雹(形态视周围温度而定),于是乎,“天要下雨,娘要嫁人”,就由不得任何人了。

呼风唤雨的第二员“大将”唤作“气压梯度力”。如上所述,空中气压是不均匀的,常识告诉我们,压力有差别就产生力,就会导致运动,这就是所谓“压力梯度力”,在大气中就是“气压梯度力”。本书作者说,大气中这种气压差不仅垂直方向有,水平方向也会有,水平方向的气压梯度力就唤来了风,而风的强弱则取决于这种力的大小。

呼风唤雨的第三员“大将”唤作“科氏力”。它是一位法国老先生科里奥利(G. G. Coriolis1792~1893)在1835年引进的。说他老,还真老,这位200多年前出生的力学家活了101岁。这本书告诉我们,地球由于自转,不是一个惯性系,而牛顿运动定律只在惯性系中成立。老先生的过人聪明之处在于,他引进了后人称为“科氏力”的假想力之后,就可以把地球看成惯性系了。科氏力的大小正比于速度及到原点的距离,方向与速度方向垂直。由于科氏力的“横插一杠子”,好好刮着的风就拐弯了,这就是“气旋”和“反气旋”的成因。

呼风唤雨的第四员“大将”唤作“摩擦力”。摩擦力到处存在,你若逆风而行,就会真切地感受到它的存在。这本书里说,刮风时,气压梯度力与科氏力、摩擦力平衡,也就是说,这后三员大将要打平手,这么一来,原本应为闭合的水平涡旋就变成螺旋涡旋,于是,我们就见到了龙卷风,见到了边走边转的台风,而且会使风向气旋内或气旋外吹。

 

这里只概述了本书前四章的内容。随着话题拓广,作者推出了精彩纷呈的描述。限于篇幅,暂且不细讲了。各位若有兴趣,可到当当网、卓越网、京东网邮购这本140页的小册子,相信你会跟着它“经风雨,见世面”。

 

参考资料:

1、  刘式达、李滇林,谈风说雨—大气垂直运动的力学,“大众力学丛书”之14,高等教育出版社,2013.4

 

写于2013610日晨

 

【链接】相关博文

1、科学方法漫话-1:瑰丽的科学诗篇——屈原《天问》

http://blog.sciencenet.cn/blog-330732-452280.html

2、力学科普-1:内行看门道——《奥运中的科技之光》评介

http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=330732&do=blog&view=me&classid=141283&from=space&page=6

3、力学科普-2:《拉家常说力学》一书的序言

http://blog.sciencenet.cn/blog-330732-398963.html

4、力学科普-3:《创建飞机生命的密码——力学在航空中的奇妙地位》序言

http://blog.sciencenet.cn/blog-330732-399335.html

5、力学科普-4:《涌潮随笔——一种神奇的力学现象》序言

http://blog.sciencenet.cn/blog-330732-399811.html

6、力学科普-5:为科学与艺术搭桥——《音乐中的科学》评介

http://blog.sciencenet.cn/blog-330732-618024.html

 



https://blog.sciencenet.cn/blog-330732-698171.html

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