大氣運動的基本原理

            洪秀雄

一、為什麼有天氣的變化?

在浩翰的宇宙中有無數的恆星,每個恆星可能又陪伴著無數的行星, 可是只有微乎其微比例的星球上有可能存在生命形式。像太陽系已知 有九顆行星及相當數量的衛星,而只有地球上面有高級的生物形式 - 人類- 存在。主要原因除了地球上有生物生存所必須的含氧、二氧化 碳和水汽的空氣外,在高層的氧原子、雙原子分子與三原子氧分子 ( 即臭氧) 將太陽輻射中對生物有殺傷力的超紫外線與紫外線輻射均吸 收、濾除殆盡了,因而保障了生物的持續生存。可見地球的大氣不但 是生命的必要養分,而且還扮演了保護神的角色。

另外,氣候的變遷直接、間接的決定地球上生物的存亡、興衰,也影 響著人類文明發展的方向與成就。因此研究大氣的特性、變化原理、 預測天氣、氣候變化,甚至於駕馭天氣的變化,一直是人類努力的主 題之一。大氣科學就是研究這些問題的一門學問。

如們我們翻閱有記載以來的天氣資料,會發現幾乎沒有兩天的天氣是 一模一樣的,這表示天氣天天都在改變。不僅空氣在運動,而且其形 態也每天都有變化,也就是說大氣經常處於加速狀態。根據物理的原 理,只有在外力是不平衡的狀況下,才會有加速度。在垂直方向大氣 通常是處於平衡狀態的,因此不平衡主要發生於水平方向。

太陽無疑的是大氣運動的終極能源,但是如果地球是一個均勻的平面 ,則大氣也不會有什麼運動。由於地球是一個圓球,曲率使得在赤道 上日光直射,高緯度區日光斜射,而有熱的不均勻。另外,地球表面 上有海陸分佈,也有山谷、平原、森林、草原、沙漠的分佈,接受的 太陽輻射在水平方向也因此而有進一步的不均勻。這些因素都促成水 平方向上的不平衡,而造成天氣的變化。

二、大氣運動與牛頓定律

相對於地球而言,空氣幾乎永無休止的在運動著。由於空氣的運動而 有天氣的變化。因為運動的速率遠小於光速,我們用牛頓定律和熱力 學就足以對它進行了解。

牛頓定律有四個:即萬有引力定律及力學三大定律。前者說明在具有 質量的兩物體間必然存在一種不受空間阻隔的吸引力,其力的大小和 質量的乘積成正比,和兩者距離的平方成反比。而力學定律包括 (1) 物體在不受外力的情況下,靜者恆靜,動者恆依直線作等速運動,稱 為慣性; (2)受有外力的物體會在外力所指方向產生加速度,其值和 外力的大小成正比,和物體的質量成反比。

熱力學第一定律則闡明,任一體積氣體的溫度增加(減少)的速率和 外加(外逸)的加熱(冷卻)率成正比,也和對體積所作的功成正比 ,而比例常數為比熱的倒數。所謂外加熱包括太陽輻射、長波輻射、 以及水的相位變化(如水汽凝結成水滴或水滴蒸發為水汽等)所造成 的潛熱增減。而對體積作的功,指的是:若體積被壓擠而致體積變小 ,則氣溫會上升,稱為絕熱壓縮;反之,若體積擴大,則氣溫下降, 稱為絕熱膨脹。

萬有引力使空氣分子向地心方向加速,就如同大金剛自摩天大廈跳下 來相似(見圖1)。可是地面是空氣無法穿透的,於是空氣分子由地 面一個個向上疊起來,如圖2。越靠近地面的地方空氣的壓力越大, 同時分子與分子間擠壓越密。前者使氣壓隨高度之增加而遞減,後者 使密度隨高度遞減。壓力是單位面積所受的力。想像一個任意的空氣 塊(如圖3),如果在C面和D面上所受的壓力大小不同,表示這個 空氣塊在垂直方向受有淨力,空氣塊就會在垂直方向產生加速度,除 非被其他力所平衡。這種在不同地點而有不同氣壓的情形稱為氣壓梯 度,而對應的力稱為氣壓梯度力。一個說明這種情形的好例子是汽水 瓶打開時,空氣自瓶內 (高壓) 衝出來(外面氣壓較低)的情形(見 圖4)。另一個例子是飛行中的飛機,當機艙有了破洞時,機艙中的 物體被內、外的氣壓差(氣壓梯度)推出機艙外(見圖5)。可見空 氣會被氣壓梯度力自高壓往低壓加速。

回到圖2。由於越低的空氣氣壓越高,故有向上的氣壓梯度力,這個 氣壓梯度力常會與萬有引力所導致的「重力」(萬有引力加離心力) 達成平衡,稱為靜力平衡。因此空氣在垂直方向通常不會有加速度產 生。我們通常稱氣壓自某數值減少至另一數值間的高度差為此兩氣壓 面間的厚度。此厚度顯然和空氣的溫度有關,因為溫度較高的空氣密 度較小,故厚度較大(圖6)。而同時我們也可以看出來,兩個氣溫 不相同的地點,在任一高度處兩地的氣壓也會有所差異,這就是水平 的氣壓梯度。圖6所繪的長條,表示單位截面積空氣柱,其重量所造 成的氣壓差為 100毫巴。由於較暖的空氣具較小的密度,故這樣的空 氣柱需較高才會造成與冷空氣一樣的氣壓差,因此到了高處(例如圖 6中z痕滌物袕B)暖區的氣壓就顯得比冷區為高了。

水平的氣壓梯度,會促使空氣在水平方向流動,是為「風」。具體的 例子如圖7所示。太陽昇起後,由於陸地比熱較小,海水比熱較大, 陸地變得較熱,於是在海島的上方顯得氣壓比海上為高,而導至空氣 自海島上方流向海上。於是低層的空氣自海上流向海島去補充,而最 終導至一完整的海風環流,也就是空氣的運動。

不過地球是一個自轉的球體,當物體在慣性系統中依直線作等速運動 (即不受外力)時,由於固定在地球上的觀測者隨地球之自轉而改變 位置,在他看起來這個物體是在作曲線運動(見圖8)。這種現象稱 為柯氏效應。為了解釋這種效應,我們假想這個物體在自轉系統中受 有一種垂直於運動方向的「力」,這種力使物體在北半球向右偏折, 在南半球向左偏折。這個「力」稱為「柯氏力」。

科氏力對中、高緯度的大氣運動有重要的影響,尤其是涵蓋範圍很廣 的天氣系統。圖9顯示在氣壓梯度力推動下,空氣本應向低氣壓流動 ,可是由於科氏力的偏折作用,w果卻是沿著等壓線流動,這種情形 稱為地轉風平衡。這和圖8的情況有很大的差異。

在貼近地面的地方,由於有樹、花草、地形等障礙物阻擋空氣的流動 ,這就是摩擦作用。因此對運動中的空氣(風)有一摩擦力產生,與 運動方向相反。在氣壓梯度力、科氏力及摩擦力三力平衡下,空氣的 運動方向有跨越等壓線的分量(見圖10)。這種跨越等壓線的分量會 造成低壓中心區的上升運動,而導致雲、雨的形成,天氣是壞的;在 高壓中心區造成下沉運動,而導致晴朗的天氣。(圖11圖12

大氣的運動多是太陽輻射在水平面上照射不均勻所造成。由於地球是 一個球體,赤道區日光幾乎是直射的,而中、高緯度則為斜射(圖13 ),於是在赤道區單位面積上接受的能量高於中、高緯度(圖14所示 的同樣道理),因此赤道地區的溫度高於中、高緯度。當這種能量接 受的差異持續一段時間後,南北方向的溫度差及氣壓梯度就會顯現出 來。可是由於柯氏力的緣故,風是順著等壓線的方向,而阻止南北向 的空氣交換。直到氣壓梯度積到相當數值後,才會迫使空氣作南北向 的交換,這時南北的溫差已相當大了,於是冷空氣直沖而南下,其前 緣稱為冷鋒(見圖15);暖空氣北上,其前緣稱為暖鋒。鋒面及氣旋 系統於焉形成。

綜合以上的說明,我們可以大氣輻射學和牛頓定律來解釋大氣的結構 、運動及天氣系統的形成、變化。而所謂外力,則主要為萬有引力、 氣壓梯度力、摩擦力及柯氏力。

三、大氣運動與水的相位變化

如前節所述,當低層大氣有輻合情況時,空氣會被迫上升。由於大氣 的氣壓上層比下層為小(圖2),當空氣上升時體積變大,因絕熱膨 脹而導至氣溫下降,在正常而乾燥的大氣中,這個上升的空氣因為比 其環境大氣的密度為大,而難以持續上升。我們說這時大氣的靜力穩 定度抑制了空氣的垂直運動,也就是防止了大氣的上下對流。這樣的 大氣我們說是靜力穩定的。

可是對流層中有相當充沛的水汽,而水汽有三態可以並存,這又增加 了複雜性。例如上升運動會迫使空氣中的水汽凝結為水滴(發生相位 變化),至凝固為冰晶,而放出潛熱,使得該區域變得更熱,因而促 成更進一步的上升運動。下沉運動則正相反。這和太陽輻射沒有直接 關聯,因此是另外一種能量來源及推動空氣運動的原動力。當條件適 當時(如有重直風切、充沛的水汽等),由潛熱釋放而維持的天氣系 統可以達到相當劇烈的程度,而且維持甚久,如颮線(見圖16)、龍 捲風、颱風等。