在家里就能造出龍卷風——你信嗎？
6月23日下午，江蘇蘇北地區鹽城阜寧縣突遭強冰雹、龍卷風雙重災害襲擊，傷亡巨大，損失慘重。23日22時，國家民政部發布消息，據初步統計，強對流天氣造成因災死亡78人，因災受傷近500人，其中重傷近200人，受災地區房屋倒損數量較多，電力通信設施被破壞，部分地區電力中斷，通信基站無信號。
此次災害中最令大家畏懼的恐怕就是“龍卷風”這個名詞。
這個在歐美災難大片中才能見到的景象到底是怎樣形成的？有多大威力？其實，我們每天在家里都能見到“龍卷風”相似的原理，只不過我們并不認識它而已。
龍卷風是什么？
從物理學本質上講，龍卷風其實是渦旋的一種。
所謂“渦旋”，英文翻譯為vortex，是流體團的旋轉運動，一般我們可以通俗的理解為“渦”。
空氣動力學家形象的將其描述為“流體運動的肌腱”，北京航空航天大學陸士嘉教授更簡明地解釋為：“流體的本質就是渦，因為流體經不住搓，一搓就搓出了渦。”
這里的“搓”，是指作用在流體上的剪切力。比如飛機、船艦、汽車、火車等物體在空氣中運動，緊貼在物面上的空氣由于黏附在物面上，會被物體帶著一起運動，而遠處的流體卻在靜止中，這就產生了對流體發生“搓”的剪切力。
飛機尾部“搓”出的氣流渦旋
龍卷風就是大自然中眾多渦旋的一種，常見的渦旋包括：
渦旋星系：宇宙空間的渦旋星系，是大自然中尺度最大的渦旋，其尺度是“光年”。
2013年美國宇航局（NASA）利用哈勃望遠鏡拍攝的旋渦星系NGC6984
臺風、颶風、熱帶風暴、熱帶氣旋
在氣象預報的衛星云圖上，我們經常可以看到由大團白云顯示的旋轉大尺度流體渦旋，其半徑可達數百公里。
2003年，美國Terra衛星捕獲到的Kate颶風照片
拍攝時Kate颶風持續風速為115英里/小時，以12英里/小時的速度向西移動
龍卷風
按照氣象學的定義：龍卷風是一種強烈的、小范圍的空氣渦旋，是在強烈不穩定天氣條件下，由空氣強烈對流運動產生的，通常是由雷暴云伸展至地面的漏斗云產生的強烈旋風。龍卷中心氣壓很低，中心風力可達每秒100—200米以上，具有極大的破壞力。
2008年美國堪薩斯州大草原上空的陸龍卷
2009年美國圣約翰河上出現的水龍卷
其他類似于沙塵暴、海嘯等也都是自然界常見渦旋的表現形式。
2001年美國宇航局衛星在亞洲上拍攝到的沙塵暴渦旋
2011年日本海嘯和地震過后海上形成巨大的漩渦
在日常生活中，我們經常看到的這種現象：在盛滿水的洗手池或者澡盆中，將塞子拔掉，會形成一個漩渦，科學上叫做“澡盆渦”，這就是典型的渦旋現象。
洗手池中的澡盆渦
美國科技館中模擬龍卷風的“澡盆渦”
所以可以說，在家里的廚房或者浴室里，我們就可以輕松地模擬出龍卷風的物理機理。
龍卷風的形成機理
既然知道了龍卷風屬于渦旋的一種，那么龍卷風是如何形成的呢？
今年4月份，甘肅省酒泉市瓜州縣淵泉小學舉行春季運動會，天氣狀況非常好，但是突然就刮起了旋風，一名9歲男孩瞬間被卷起幾米高，這就是“龍卷風”嗎？
現場畫面
其實，這只是很小尺度的氣流不穩定性造成的，一般我們成為“塵卷風”，類似的還有4月初，北京北海公園也出現過塵卷風，當時還掀翻了幾艘小船。
而龍卷風必須是由中尺度的氣流不穩定性造成的，其平均直徑為200-300米，最小直徑幾十米，最大1000米左右，持續時間一般幾分鐘至十幾分鐘，最多不超過幾小時，移動速度在15米/秒至70米/秒。
龍卷風的形成與強雷暴云有關，雷暴巨大的能量中的一小部分在很小的區域集中釋放，給龍卷風帶來了能量。同時由于云層的一部分云柱向下伸展，并旋轉向下水平輻合，類似于滑冰運動員在旋轉時夾緊手臂，使得旋轉速度越來越快，這種伸展的渦管旋轉速度非常快，形成了漏斗狀的云，構成了龍卷風的形狀。
滑冰運動員手臂夾緊會提高旋轉速度
具體來說龍卷風形成分為4個階段：
1. 大氣的不穩定性產生強烈的上升氣流，由于急流中的最大過境氣流影響，它被進一步加強。
2. 由于與在垂直方向上速度和方向均有切變的風相互作用，上升氣流在對流層的中部開始旋轉，形成中尺度氣旋。
3. 隨著中尺度氣旋向地面發展和向上伸展，它本身變細并增強。同時，一個小面積的增強輻合，即初生的龍卷在氣旋內部形成，形成龍卷核心。
4. 龍卷核心中的旋轉與氣旋中的不同，它的強度足以使龍卷一直伸展到地面，當發展的渦旋到達地面高度時，地面氣壓急劇下降，地面風俗急劇上升，形成龍卷風。
龍卷風形成機理（圖片來源自《力學與實踐》）
龍卷風中的氣流方向
簡單來說，龍卷風的形成和消失，都是氣流運動不穩定的過程。
遇到龍卷風如何自救？
立刻離開危險房屋、活動場所或其他簡易臨時住處，到附近比較堅固的房屋內躲避。
如在汽車中，應及時離開，到達低洼地躲避，因為汽車本身沒有防御龍卷風的能力，一旦汽車和人同時被龍卷風卷起，危害更大。
迅速朝龍卷風移動方向的垂直方向跑動，伏于低洼地面、溝渠等，遠離大樹、電線桿、廣告牌、圍墻等，以免被砸、被壓或發生觸電事故。
躲避龍卷風最為安全的地方是位于地下的空間或場所，地面上所有建筑物此時都不是最安全的躲避場所。
監制：中國科學院計算機網絡信息中心
出品：科普中國
制作：中國科學院力學研究所 老三
“科普中國”是中國科協攜同社會各方利用信息化手段開展科學傳播的科學權威品牌。
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- 發表于 2016-06-24 00:00
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