在家里就能造龙卷风?
发布时间:2016-06-24
出品:科普中国
制作:中国科学院力学研究所 老三
监制:中国科学院计算机网络信息中心

  6月23日下午,江苏苏北地区盐城阜宁县突遭强冰雹、龙卷风双重灾害袭击,伤亡巨大,损失惨重。23日22时,国家民政部发布消息,据初步统计,强对流天气造成因灾死亡78人,因灾受伤近500人,其中重伤近200人,受灾地区房屋倒损数量较多,电力通信设施被破坏,部分地区电力中断,通信基站无信号。
  此次灾害中最令大家畏惧的恐怕就是“龙卷风”这个名词。
  这个在欧美灾难大片中才能见到的景象到底是怎样形成的?有多大威力?其实,我们每天在家里都能见到“龙卷风”相似的原理,只不过我们并不认识它而已。
龙卷风是什么?
  从物理学本质上讲,龙卷风其实是涡旋的一种。
  所谓“涡旋”,英文翻译为vortex,是流体团的旋转运动,一般我们可以通俗的理解为“涡”。
  空气动力学家形象的将其描述为“流体运动的肌腱”,北京航空航天大学陆士嘉教授更简明地解释为:“流体的本质就是涡,因为流体经不住搓,一搓就搓出了涡。
  这里的“搓”,是指作用在流体上的剪切力。比如飞机、船舰、汽车、火车等物体在空气中运动,紧贴在物面上的空气由于黏附在物面上,会被物体带着一起运动,而远处的流体却在静止中,这就产生了对流体发生“搓”的剪切力。


飞机尾部“搓”出的气流涡旋

  龙卷风就是大自然中众多涡旋的一种,常见的涡旋包括:
  涡旋星系:宇宙空间的涡旋星系,是大自然中尺度最大的涡旋,其尺度是“光年”。


2013年美国宇航局(NASA)利用哈勃望远镜拍摄的旋涡星系NGC6984

  台风、飓风、热带风暴、热带气旋
  在气象预报的卫星云图上,我们经常可以看到由大团白云显示的旋转大尺度流体涡旋,其半径可达数百公里。


2003年,美国Terra卫星捕获到的Kate飓风照片
拍摄时Kate飓风持续风速为115英里/小时,以12英里/小时的速度向西移动

  龙卷风
  按照气象学的定义:龙卷风是一种强烈的、小范围的空气涡旋,是在强烈不稳定天气条件下,由空气强烈对流运动产生的,通常是由雷暴云伸展至地面的漏斗云产生的强烈旋风。龙卷中心气压很低,中心风力可达每秒100—200米以上,具有极大的破坏力。


2008年美国堪萨斯州大草原上空的陆龙卷

2009年美国圣约翰河上出现的水龙卷

  其他类似于沙尘暴、海啸等也都是自然界常见涡旋的表现形式。


2001年美国宇航局卫星在亚洲上拍摄到的沙尘暴涡旋

2011年日本海啸和地震过后海上形成巨大的漩涡

  在日常生活中,我们经常看到的这种现象:在盛满水的洗手池或者澡盆中,将塞子拔掉,会形成一个漩涡,科学上叫做“澡盆涡”,这就是典型的涡旋现象。


洗手池中的澡盆涡

美国科技馆中模拟龙卷风的“澡盆涡”

  所以可以说,在家里的厨房或者浴室里,我们就可以轻松地模拟出龙卷风的物理机理。
龙卷风的形成机理
  既然知道了龙卷风属于涡旋的一种,那么龙卷风是如何形成的呢?
  今年4月份,甘肃省酒泉市瓜州县渊泉小学举行春季运动会,天气状况非常好,但是突然就刮起了旋风,一名9岁男孩瞬间被卷起几米高,这就是“龙卷风”吗?


现场画面

  其实,这只是很小尺度的气流不稳定性造成的,一般我们成为“尘卷风”,类似的还有4月初,北京北海公园也出现过尘卷风,当时还掀翻了几艘小船。
  而龙卷风必须是由中尺度的气流不稳定性造成的,其平均直径为200-300米,最小直径几十米,最大1000米左右,持续时间一般几分钟至十几分钟,最多不超过几小时,移动速度在15米/秒至70米/秒。
  龙卷风的形成与强雷暴云有关,雷暴巨大的能量中的一小部分在很小的区域集中释放,给龙卷风带来了能量。同时由于云层的一部分云柱向下伸展,并旋转向下水平辐合,类似于滑冰运动员在旋转时夹紧手臂,使得旋转速度越来越快,这种伸展的涡管旋转速度非常快,形成了漏斗状的云,构成了龙卷风的形状。


滑冰运动员手臂夹紧会提高旋转速度

  具体来说龙卷风形成分为4个阶段:
  1. 大气的不稳定性产生强烈的上升气流,由于急流中的最大过境气流影响,它被进一步加强。
  2. 由于与在垂直方向上速度和方向均有切变的风相互作用,上升气流在对流层的中部开始旋转,形成中尺度气旋。
  3. 随着中尺度气旋向地面发展和向上伸展,它本身变细并增强。同时,一个小面积的增强辐合,即初生的龙卷在气旋内部形成,形成龙卷核心。
  4. 龙卷核心中的旋转与气旋中的不同,它的强度足以使龙卷一直伸展到地面,当发展的涡旋到达地面高度时,地面气压急剧下降,地面风俗急剧上升,形成龙卷风。


龙卷风形成机理(图片来源自《力学与实践》)

龙卷风中的气流方向

  简单来说,龙卷风的形成和消失,都是气流运动不稳定的过程。
遇到龙卷风如何自救?
  立刻离开危险房屋、活动场所或其他简易临时住处,到附近比较坚固的房屋内躲避。
  如在汽车中,应及时离开,到达低洼地躲避,因为汽车本身没有防御龙卷风的能力,一旦汽车和人同时被龙卷风卷起,危害更大。
  迅速朝龙卷风移动方向的垂直方向跑动,伏于低洼地面、沟渠等,远离大树、电线杆、广告牌、围墙等,以免被砸、被压或发生触电事故。
  躲避龙卷风最为安全的地方是位于地下的空间或场所,地面上所有建筑物此时都不是最安全的躲避场所。

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