龙卷风的成因推理分析

摘要:目前人们对龙卷风的成因、破坏机理和理龙卷风对巨大铁制品异常的搬运能力还没有找到合理的答案。文章根据所学的物理知识和原理,通过对带电云团的成因和运动状态分析,总结归纳出了一套“带电云团运动产生电磁效应的成因理论”。

关键词:破坏机理;电磁效应;带电云团;地磁场;感应磁场;静电场;感应电场;电场力;感应磁场力

中图分类号:P458文献标识码:A

文章编号:1009-2374 (2010)24-0183-02

我们生活的地球时常出现龙卷风。全世界每年因龙卷风袭击造成的经济损失达到数百亿美元。有关龙卷风的成因,主要存在以下三种假说:一是前苏联学者维克托・库申提出的“内引力～热核成因理论”说;二是澳大利亚科学家提出的“施密夫～莱斯里模型”说;三是气象学提出的“上下层空气交替扰动成因”说。这三种成因假说都不能合理解释被龙卷风侵袭过的物品出现有选择性搬运的问题。

1龙卷风的机理

通过对龙卷风形成时的气候条件研究,对龙卷风的运动特点和破坏力的分析,显示龙卷风的成因与云团带电有直接关系。从物理角度分析,形成龙卷风需要以下几个阶段和过程:

一是在炎热的夏季,强烈的太阳光照射,气温急剧升高,大量的水分蒸发到天空。水蒸汽到达高空后遇冷变成区域性的积雨云。

二是云团在受到强烈的阳光照射后,云团中的水分子或空气中的其它分子因受到强烈的阳光照射二使电子具了有较高的逸出能量,这些高能量的电子在地球静电场的作用下,摆脱分子的束缚成为了自由电子,逐渐移动到云团的顶部和底部,使云团成为被极化的带电云团。

三是在强烈阳光的照射下,大气压强发生区域性变化产生大气对流形成风,风推动云团定向流动。由于大型的云团体积巨大,云团在顶部和底部的流动速度存在差别,当风力超过上下正负电荷间的引力时,风力就能将顶部云层与底部云层分开。上部带正电荷的云层成为独立的正电云团,下端带负电荷的云层成为独立的负电云团。这样云团就成为带电云团,产生了静电荷(如图1)。

四是当这些相对孤立的带电云团在天空中运动时,在大风力的作用,云团在水平方向产生一个风力F水,生一个水平运动速度V水,在竖直方向产生一个静电引力F静电和一个重力F重力,二者形成一个竖直向下的力F竖,产生一个竖直向下的运动速度V竖。云团的静电场力、重力和风力形成了一个倾斜向下的合力F合,并产生一个斜向下的运动速度V合(如图2)。

由于地球是一个巨大的磁体,地球南北极之间有一个5.0×10-5特斯拉左右的地磁场。电荷在磁场中运动时要产生洛伦兹力,洛伦兹力能使运动的电荷做圆周运动。当带电云团在空中倾斜向下运动时,由于运动方向与地磁场斜交,因此形成了螺旋型的运动轨迹。这样,这些高速运动的带电云团在洛伦兹力的作用下发生旋转,因此形成了龙卷风。

由公式R=mvBq可以看出,当云团从高空斜向下俯冲时,竖直速度增大,流动阻力作用使水平速度减小,地磁场强度增大。越靠近地面云团的运动半径越小,因此形成长长的漏斗云。

2龙卷风的破坏力分析

龙卷风之所以有巨大的破坏力,是因为龙卷风在形成和运动过程中,形成了以下几种超常的破坏作用:

一是静电引力作用。龙卷风对导电制品的搬运能力十分惊人。因为云团带有大量的静电荷,当云团在空中运动时,能将地面物体极化,使物体带上大量的异种电荷,并在带电云团和地面极化物体之间建立了一个强大的感应电场,因此产生了一个巨大的静电引力。

由于龙卷云体积庞大,带电量很多,高度又低,产生的静电引力非常强大,所以龙卷风能在瞬间轻而易举的将被极化物体提升到高空。将大量水吸引到天空,将几十吨大铁罐搬离原地(如图3)。等大罐上的电荷被云中的电荷中和后,然后带上与带电云团相同的电荷,此时静电引力又变成了斥力,然后再把大铁罐被抛回地面。

二是磁场力作用。根据毕奥～沙伐定律,静电荷运动能形成运移电流,运移电流能产生感应磁场。龙卷风在高速旋转时能产生旋转的运移电流,龙尾的静电荷在高速旋转时形成了螺旋型的运移电流。龙尾的涡旋电流高达上千米,像一个巨大的通电的螺旋管,形成一个巨大的合磁场,磁场对铁制品有磁引力,所以龙卷风对大罐、铁轨、轮船、铁塔都特别青睐。

三是风力和旋扭力。空气流动产生风,风速越大,风压越大,产生的风力就越大。高速旋转的气流还能产生巨大的扭力。不论是吹力还是风扭力,都能对地面物体造成破坏。

四是雷电破坏作用。龙尾由带电的云团构成,龙尾接触到地面,并不断的把电荷输送到地下。在输送过程中,正负电荷中和放电产生雷击和雷爆,并产生巨大的冲击波,这些作用对地面避雷效果差的建筑物能产生极大的破坏。

3推论

(1)龙卷风是一种破坏力非常巨大的流动气团,通常形成于炎热的夏天,强烈的阳光照射使水蒸发,并使云团发生电离,在风力和地球电场力的作用下分离形成巨大的带电云团,带电云团在地磁场中运动产生洛仑兹力,高速运动的云团旋转形成了龙卷风。

(2)龙卷风能产生静电引力、感应磁场力、运动产生的风力、旋扭力和放电产生的雷电冲击力五大破坏作用。

(3)龙卷风可以防治,人们可以通过兴修水利网的方式,将旱龙变成水龙,利用水柱的导电性将带电云团的电荷快速的中和释放,以此来减小龙卷风的损失。

参考文献

[1] 姚大均.趣味自然科学百科[M].江苏少年儿童出版社,1999.

[2] 导淦.物理学[M].高等教育出版社,1993.

[3] 百度.网络百科.

作者简介:彭寿斌(1963-),男,山东东营人,中国石化总公司胜利分公司孤东采油厂工程师,研究方向:石油工业。