威力龍捲風(組圖)
龍捲風是從強流積雨雲中伸向地面的一中小范圍強烈旋風。龍捲風出現時,往往有一個或數個如同「像鼻子」樣的漏斗狀雲柱從雲底向下伸展,同時伴隨狂風暴雨、雷電或冰雹。龍捲風漏斗狀中心由吸起的塵土和凝聚的水氣組成可見的「龍嘴」。龍捲風經過水麵,能吸水上升,形成水柱,同雲相接,俗稱「龍取水」。經過陸地,常會卷倒房屋,吹折電桿,甚至把人、畜和雜物吸捲到空中,帶往他處。
一般情況下,龍捲風是一種氣旋,它是大氣中最強烈的一種渦旋現象。龍捲風出現的時間和大氣中對流旺盛的時間相一致,主要出現在夏季6-9月,春末夏初也偶發生,尤以下午至傍晚最為多見。影響地面範圍從數米到幾十上百公里,龍捲風的直徑一般在十幾米到數百米之間。龍捲風的生存時間一般只有幾分鐘,最長也不超過數小時。風力特別大,在中心附近的風速可達100-200米/秒。
大多數龍捲風在北半球是逆時針旋轉,在南半球是順時針,也有例外情況。
二、龍捲風與能量
龍捲風中蘊含的能量是巨大的。當龍捲風的漏斗狀漩渦直徑為200米時,其旋流功率可達3萬兆瓦,相當於10座大型水電站的總電量。
龍捲風把江河湖海的水吸入後,通過漏斗狀漩渦,急劇上升,送到寒冷的大氣層,水凍結後自然又會釋放能量。
和龍捲風結構相彷的渦流,如旋風分離器、直升機螺旋槳、電扇、軸流式風機葉輪等設備形成的氣流,就是利用模仿龍捲風結構和原理來為我們服務的。
三、龍捲風形成的機理
設存在一個二維的氣流場,有能壓差存在,氣流就會運動,假設現在存在一股氣流開始運動,我們把這股氣流分為頭部和尾部,在頭部向前運動時,它的尾部後就會出現一個「負」壓區,就好像一輛行駛的汽車後面有一個尾隨的「負」壓區一樣,如果這股氣流不是一直沿直線向前運動,就會回過頭來運動,這時,就會出現「頭」、「尾」之間存在的能壓差!於是,「頭」部就會循著「尾」部的「負」壓區追去,使「頭」和「尾」銜接在一起(就像蛇咬住了自己的尾巴),形成一個閉合的有序流動的「能流圈」。
根據機械能衡算的柏努利方程知道,當這股氣流運動動能增加時,它的「內部」能壓就會降低(機械能守恆),於是奇蹟發生了:「能流圈」內外側的氣流因為能壓高於「能流圈」的能壓,所以,不斷有氣流擠著湧向「能流圈」,使「能流圈」開始逐漸變「粗大」,有就是說,氣流在「能流圈」內的流通面積變大了!
流通面積越大,流動越有序(即形成了滯流),阻力就越小,所以氣流的流速也開始逐漸變大!速度越大——負壓越大——補充進來的氣流量就越多——「能流圈」越變得「粗大」,而且在「能流圈」外部的壓力作用下,「能流圈」的密度也增加了。
當「能流圈」內側的氣流湧向「能流圈」時,能壓越來越低,使「能流圈」(直徑)不斷變小,如果這時候「能流圈」的流動沒有新的方向突圍,就會被外側氣流的能壓擠跨而渙散、消失。
現在,我們再回到三維空間和氣象中的龍捲風去。因為「能流圈」的密度比較大,所以,它會「墜落」到第三維的方向上。
由於積雨雲上下溫度相差很大,上面的冷氣和下面的熱氣流形成對流,產生旋轉的「能流圈」,逐漸擴大,最後形成近似平行地面的二維「能流圈」,到成長到一定程度時,就會從雲中慢慢「墜」到地面,形成了龍捲風。
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