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”
。
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——
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?
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。
首先说结论,冬季风是由
西伯利亚地区的高压
与
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。
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。
那
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:
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
,
是
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