风的成因是什么？

天文科普
20年10月3日
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我是好人

风的成因是什么？
如果空气随着地球在转动，那为什么会有风呢？风，肯定是流动着的空气。看上去风是在运动的，也许这是因为空气不动，而地球却在空气的下面不停地转动而造成的。
但遗憾的是这种假设是错误的。
地球运动的方向是从西向东的，这就是为什么观察太空中的物体似乎都是从东向西运动的道理。这正像我们在疾驶的火车上看地面上行走的人，火车向前开，而地面上的人好像往后走一样。在赤道的位置上，地球的转速是每小时 1600 公里，其方向为由西向东，而在赤道两侧的南、北极之间，地球是以较小的半径转动的，所以该地区的转速就低于上述数值（而在南极和北极点全然没有任何运动）。
如果假定地球转动时空气纹丝不动，那么我们在赤道上方就能感觉到一种定向吹动的风，其速度是每小时 1600 公里，风向由东向西，而在赤道的两侧，风力就会降低一些。显然这不符合实际。所以，风不是由地球的转动而形成的。
哥伦布于 1492 年横渡大西洋时发现了定向的风（现在称之为信风），方向是从东边吹来，这使他顺风而行。当他返航回家的时候，他是向北航行，这时他发现信风是从西边吹来的。这一发现非常重要。在这之前，西方航海家认为风的产生、停止和风向完全取决于神的意愿。自哥伦布之后，人们越来越清楚地发现，风是有规律性的，这个规律性对海上贸易极为有利（这就是人们为什么称之为贸易风的缘由），而当时人们还不明白风的吹动为什么是有规律的。
这个问题的答案最初出现于 1686 年，英国科学家埃德蒙·哈雷认为：如果把大气层升温到同一温度上，地球表面的空气基本上是静止不动的，更不用说是有风了。然而，太阳直射地带的空气温度远远高于北方和南方地区的空气温度，高温下的空气将不断地膨胀，它们变得很轻，并且升向高空，这时从北方和南方飘过来的冷空气就填补了这块真空。正是这种冷空气的侵入才形成了“信风”。有人曾认为冷空气直接来自于正北方或正南方，事实并非如此，赤道以北的信风来自东北方，赤道以南的信风来自东南方。
当时，哈雷对这种现象没能作出解释，到了 1735 年，英国律师乔治·海德莱对这一现象做了正确的剖析：与赤道上空的空气相比，北方袭来的冷空气以较慢的速度随地球转动，当这股冷空气南下时，它在东西方向上的移动速率仍然没变，这一速率低于冷空气所到之处地球从西到东旋转的速率，其结果将使人们误以为这股风是从东北方吹来的。同理，人们也会认为由赤道南方袭来的风好像来自东南方。
相反，当赤道上空的空气被迫吹向北方时，它在东西方向上的运动速度高于所到之处的地球转速，因此看上去风似乎来自西方，这就产生了“西风带”。
这套理论后来由法国的物理学家格斯帕德·吉斯塔夫·让·科奥利斯于 1835 年通过数学推算得以证实。至此人们得知：风向的产生来源于地球不同部位的不同转速差，这一结论称之为科奥利斯效应。这一效应可以形成强度不等的“旋风”、“风暴”、“飓风”、“龙卷风”。风是很重要的，它是地球的空气调节器，其作用是分散地球上的热量，使热带地区不是想象的那么热，使冷的地方也不是想象的那么冷。随着温度的升高，海洋上的水蒸气带走了一部分水。一旦温度降低，水又以雨的形式降落到地面。陆地吸收到了水，才使得陆地上的生物生机盎然。
如果我们完全理解了这些主宰空气和风运动的规律，我们就能准确地预测天气，其中包括温度的变化、雨及风暴的形成等天气形势。问题在于这些规律相当复杂，以至于时至今日我们仍不能圆满地进行天气预报。
事实上，人类还不能准确无误地预报天气，因为人类还不能精确地测定出各地区天气的初始状态，有时一些微小的变化也会造成巨大的后果。这种现象被人们称之为“无序”现象。而且相当多的自然现象都明显地具有这种特性，它使得我们无法去预测它们，这就是在科学领域中的遗憾之处，是人类知识的局限性造成的。不过，我们至少已在研究的过程中发现了这些局限之所在。