探究美国多发龙卷风的成因

　　我国古代著名诗人苏东坡（1037~1101）在其被贬南下之时，曾亲眼目睹过龙卷风之景。他在《连雨江涨》一诗中这样描述：“龙卷鱼虾并雨落，人随鸡犬上墙眠。”

　　苏东坡见到的龙卷风是雷雨云与湖面相接形成的水龙卷。更常见的龙卷风还有陆龙卷，形成在陆地上空，小到动物、尘土，大到数木、房屋，在强大的陆龙卷的入侵之下，无一能幸免。

　　说起龙卷风，不得不提起太平洋东岸的美利坚合众国。美国是世界上龙卷风最多发的国家，陆地龙卷风数目大约是全欧洲的四倍^[1]。本文将从地理、气候、龙卷风的成因、地磁场和微观与宏观的电荷运动等方面分析美国多发龙卷风的原因。

　　美国被称为“龙卷风之乡”，据了解，全球有80%~90%的龙卷风发生在美国，美国每年平均有多达1000多次的龙卷风^[2]。在下文中，笔者将从地理、气候、龙卷风的形成过程三个方面剖析美国多发龙卷风的原因。

1.1 地理

　　美国本土位于北美洲中部，南靠墨西哥湾，西临太平洋，东濒大西洋，海岸线22,680公里^[1]。水汽丰富，水滴因受重力作用，呈水滴型，同时因太阳光照射、分子间运动摩擦等原因，内部电子溢出，使得内外电荷分布不均。内外最高电势差可达到+2.5V。 

图 1 水滴内部的电荷分布

 

　　丰富的水汽在空中聚集，带电，易形成大片积雨云，而有资料显示，所有龙卷风都同积雨云相联系。　　

　　在下文详细分析龙卷风的成因可以得知，龙卷风多发不仅和电荷的聚集与释放有关，还和空气流体提供的动力有关。北美大陆南起北赤道地区，北到极地，却没有东西走向的山脉。美国本土大陆的中部，有一片称作“龙卷风走廊”（Tornado Alley）的区域。它位于北美大平原位于美国得克萨斯州西部和明尼苏达州之间的一条狭长地带，这片区域因发生在这里的大量龙卷风而得名。

图2 框中区域为落基山脉和阿巴拉契亚山脉之间的龙卷风走廊

　　南北走向的洛矶山脉阻断了从西方吹来的盛行风下部带来的湿润空气，这使得对流层中部干燥空气在东部下降产生干燥气流，而墨西哥湾带来湿热低气流。冷热气流的交会碰撞极易产生涡旋^[4]。涡旋为龙卷风的形成提供了动力。

1.2 气候

　　地球上的风雨雷电等，都与冷暖空气的相遇有关。美国气象局回复民众询问龙卷风成因，经典回答就是：“温暖潮湿的海湾空气，遇上了加拿大寒冷的空气和洛杉矶干燥的空气^[2]。”

 　　美国大部分地区属于温带大陆性气候，南部属亚热带气候，西部沿海地区分布有温带海洋性气候和地中海气候^[1]。这为形成水汽和涡流提供了丰富的条件，为多发龙卷风埋下了伏笔。

 

1.3 龙卷风的成因

　　1.3.1 正负电荷气流的交互

　　龙卷风的形成和粒子的微观运动息息相关。上文提到，水汽分子带电，因为内部电势差较高，水汽分子从四面八方吸收电子，破坏了周围粒子的电荷平衡。之后，因受重力作用，带负电的水汽分子重力大于带正电的水汽分子，会产生上升和下降两种运动形式，加剧上下两部分电荷的分离，在积雨云的上下两端形成电势差。

 

图 3 积雨云的电荷分布

　　如图3所示，在积雨云中，由于微粒从微观到宏观的运动，内部形成了电荷的明显分离，在动态的积雨云中，在下部带正电荷的气流将会快速上升。这样，在静电力和重力等的诸多影响下，积雨云与地面将一直重复上述过程，此过程中气流是稳定的。我们称之为“正负电荷不断地随上升气流和下沉气流的交互运动”。

 

　　1.3.2 内部磁场的形成
　　

　　法拉第电磁感应定律告诉我们，电流可以产生磁场，运动的磁场可以产生电场。在积雨云与地面之间带电荷的粒子微观运动，宏观来看，是从积雨云流向大地的电流。由右手螺旋定律可知，在向下垂直运动的气流周围产生了从天空俯视磁感线呈顺时针的磁场。

 

　　1.3.3 扰动产生的龙卷风

　　在正负电荷随着水汽不断上升或者下沉的时候，整个系统的稳定的，如果没有扰动，这种电荷的交互运动会一直进行下去。但是犹如蝴蝶效应所比喻的，一只蝴蝶在巴西扇动翅膀会在得克萨斯引起龙卷风。在交互运动的过程中，其时只要出现一个轻微的旋转扰动(的气流)，就可能引发旋转磁场的产生，龙卷风就可能会在顷刻之间迅速生成^[4]。

　　什么是气流的扰动？在夏天，可以在操场上常能看到的一种现象，得到启示。一阵风刮来，突然在操场中间出现了一个气流涡旋，它卷起了沙土和树叶随气流旋转，而且越转越快地在移动着，过了一会，又迅速慢了下来，突然消失了[6]。这就是气流不稳定性造成的。

 　　但是这种不稳定往往持续时间很短、范围很小，再气象学上被称作“小尺度的气流不稳定性”。龙卷风则是一种大尺度的气流不稳定性。

　　当微小的扰动导致气流旋转，由于急流中的最大过境气流的影响，它被进一步加强。在旋转的过程中，切向和垂直于速度方向都有空气分子相互作用，使得龙卷风开始向四周延展，达到平衡后，不再扩大。因为它内部高速下降的带正电荷的水汽的存在，龙卷风内部的压强和外部相比非常低，当龙卷风与地面相接，地面气压急剧下降，附近气流运动加快，加剧了龙卷风的形成。

　　在上文中提到，美国所处的北美大陆寒流暖流都十分丰富，这种气流的不稳定为龙卷风的形成提供了有力的条件。

 

1.3. 科里奥利力的影响

　　科里奥利力（Carioles Force）简称为科氏力，是对旋转体系中进行直线运动的质点由于惯性相对于旋转体系产生的直线运动的偏移的一种描述。科里奥利力来自于物体运动所具有的惯性^[7]。

 　　根据科里奥利力的计算公式和叉乘的运算规则

　　可以得出，在北半球从南向北上行的风受到向右的科里奥利力，形成了一个压力差，周围大气中的空气在压力差的驱动下向气压低的地方定向移动，因为存在着科里奥利力，形成旋转的气流，“低气压中心得以长期保存^[7]”。

 

结论

　　龙卷风中蕴藏着的巨大机械能是其中的静电荷释放的电磁能的一种表现形式。静电荷积蓄的能量还可以以雷电的形式释放。书归正传，美国龙卷风多发的原因主要和地理环境、气候有关。因为北美大陆没有东西向的山脉，洛基山脉阻断了从太平洋东迁的水汽，使得墨西哥北上的暖流和来自加拿大干冷的寒流相遇，产生更多的水汽；又因为美国特殊的地理环境，四周环洋，使得水汽得以保存。在水汽上积聚大量电荷，由于流体运动，使得形成宏观移动的电流。电流周围产生磁场，如果此时产生扰动，那么就会形成涡流，涡流带动附近空气流动，遂形成龙卷风。综上所述，美国的环境是极易产生龙卷风的。

 

参考文献

[1]周石硚.美国灾害地理[J].地理译报,1992,(02):24-30.

[2]潮轮.超强龙卷风重创美国数百人死伤损失惨重[J].生态经济,2013,(07):8-13.

[3] Kessler.雷暴形态学和动力学.北京:气象出版社,1991:94-101,82,82

[4]百度百科.“龙卷风走廊” [EB]. http://baike.baidu.com/link?url=t_hp4X.2017.5.21.1:19

[5]张宝盈.人工控制龙卷风的可能性——龙卷风成因新探[J].自然杂志,2003,(01):58-61+64.

[6]王振东.龙尾不卷曳天东——漫话龙卷风[J].力学与实践,2010,(04):112-115.

[7]百度百科.“科里奥利力” [EB]. http://baike.baidu.com/link?url=6-d0n13Z.2017.5.21.11:59