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冬天的冷风,一定是“西北”风吗?

蝌蚪五线谱  · 公众号  ·  · 2024-12-02 17:59

正文


时间已进入“小雪”节气,还有五天便要迎来“大雪”,不知你所在的地方是否已经历这个冬天的第一场雪呢?


前几日,在北京的初雪之中,小编盯着空中飞舞的雪花,张开嘴巴正欲去接住它们,未料却被灌进满满一口寒风,刹那间,一个成语猛地出现在脑海之中—— 喝西北风”


图源:dashangu.com

没错, “喝西北风”竟然是一个成语! 它指的是没有东西吃,只能喝着寒风,空着肚子过日子。因此形容饥寒交迫的样子。



但更往深处想, “西北风”的定义 是什么呢?它和 寒潮 有什么关系?它又是 怎么产生 的?冬天的寒风一定是 西北方向来的风 吗?让我们带着这四个问题,来进行一场“西北风”的“品尝”之旅——



“西北风”与“寒潮”

首先,这里所说的“西北风”,并不是广义上的西北方向来的风,在气象学上,它实际被称为 “冬季风” ,顾名思义,就是冬季所伴随的风,这也就不难理解为什么“西北风”喻示的是寒冷的风了。为了避免歧义,后文在不加说明的情况下,将使用“冬季风”这个名词。


因此,我们姑且先把冬季风理解为 冬天的一股寒流 ,那它与我们常说的 “寒潮” 有什么关系呢?


图源:pexels.com


寒潮是指北方的冷空气大规模向南侵袭我国,造成大范围急剧降温以及偏北大风的天气过程。而这里的冷空气又是冬季风的一种典型,所以 寒潮是由冬季风产生的 。但冬季风要引起寒潮,还得在东半球 长时间滞留,使得低温慢慢聚集,再大规模南移, 从而形成寒潮。


因此, 寒潮是由聚集起来、长期滞留的冬季风所导致的一种气候现象。



冬季风如何形成

首先说结论,冬季风是由 西伯利亚地区的高压 阿留申群岛的低压 的相互作用而产生。但要理解这个答案,我们需要解决几个问题: 为什么西伯利亚地区是高气压而阿留申是低气压?为什么冬季风是寒冷的?气压的高低与温度存在决定性的关系吗?气压到底由什么因素所决定?



要理解这些问题,我们分两个角度来探讨: 一是为什么有风,二是为什么有冬季风。





一、风的形成


风形成的主要原因是 气压差 。当一个地方的气压高,另一个地方的气压低,气体会从气压高的地方跑向气压低的地方,便形成了风。





注意我们所说的“气压”并不是“大气压力”,而是 “大气压强” (后面会解释二者的区别)。空气中存在着许多看不见的气体分子,它们无时无刻不在运动,有的地方分子多,有的地方少;有的地方分子跑得快,有的地方慢。


对“大气压强”的直观感受,莫过于我们搭乘飞机,起飞时所出现的不适感。我们的 耳膜 与空气相接触,而空气中有大量持续运动的分子,这些分子不断撞击在耳膜上,其结果是使耳膜推开,但是当然,在耳膜的另一边也有同样的分子在不停撞击,因而 耳膜受到的净作用力为零




当飞机起飞时,由于 “大气压强”随着高度的增加而减小 ,而耳膜内的气压 不能及时响应 这种变化,所以当飞机起飞或降落时,就会造成 耳膜内外的压强不一致 ,也就产生不舒服的感觉了。


图源:pexels.com

什么是压强? 想象一个充满 气体的容器,一端是一个可移动的活塞(假设与容器壁没有摩擦力),如果容器外面 是真空,那么活塞会被容器里面的分子往外推,于是我们施加一个力,使得活塞不移动。



但是, 力的大小会和活塞的面积成正比 ——面积越大,那么撞击在活塞上的分子就越多,也就需要更大的力去抵抗它们。为了消除面积这一因素的影响,人们便定义了 “压强” 这一物理量:
“压力除以作用面积”



但对于大气的压强,只知道这一点显然是不够的。根据推导,我们将会知道大气压强的表达式还可以写作:
其中 的意思是 取平均 气体分子的平均动能 ,n 是 单位体积的分子数 。接下来小编将推导出这个公式,读者如果不感兴趣可自行跳过 小编的求生欲


要计算压强,需要知道压力和面积。 面积用 来表示;而根据 牛顿第二定律 ,力的大小等于质量乘以加速度,加速度又可以表示为速度对时间的微分,因此 ,那么我们只需要知道 单位时间内气体分子传递给活塞的总动量

还是想象刚才的容 器与活塞,假设气体分子的速度是 ,其 分量为 ,那么“入射”分子的动量的 分量为



当建立平衡时,活塞与分子的碰撞是 弹性碰撞 ,也就是说分子不损失能量,否则活塞将变热,平衡也就不能建立了。因此,分子从“入射”到“出射”,方向发生了变化,那么碰撞过程中 一个分子施加给活塞的总动量 就是


那么,单位时间内总共有多少分子打上去呢?我们假设在体积 中有 个粒子,即分子的数密度为 。我们注意到,给定一个时间 ,在这段时间内,如果分子离活塞足够近,并且具有一定的指向活塞的速度,那它就可以碰上活塞,也就是说, 只有离活塞的距离小于等于 ,并且是向着活塞运动的分子,才能在 内打在活塞上


因而在 时间 内的碰撞次数等于在距离为 内的区域里的原子数 。并且由于活塞的面积是 ,所以时间 内能碰到活塞的分子所占有的体积是 总的分子数






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