了解在高空发生的事情
天气是如何变化的？原来，天气同三个要素密切相关。这就是表示大气温度的“气温”、表示大气压强的“气压”和表示大气中所含水汽多少的“湿度”。这三个要素，加上地球自转和地形等因素的影响，便形成了各种各样的天气现象。
对这三个要素进行综合分析，不仅可以说明刮风下雨，而且还可以解释中国及日本的梅雨和台风的移动路线、非洲的雨季和旱季，乃至南极的独特气象等一切天气现象。只要观看天气图，世界各地的气象便可以一目了然。
世界各地因季节不同而有不同的云层
这两页给出的图像，全是日本气象观测卫星“向日葵6号”在3.6万米高空所拍摄的云层照片，照片上的地球地形是Newton编辑部制作出来叠加上去的。
从这些图像上可以看出，在世界各地，因季节不同，会出现各种不同类型的云层。例如在春季和秋季，在赤道上空出现的是带状云。北半球的夏季，在日本附近可以看见造成台风的涡旋云。若是在北半球的冬季，则在南半球可以看见同样的云层。冬季的北半球，从西伯利亚到日本一带，可以看见白色的薄云层，云层下面大多在降雨或降雪。
生成云或雨这类大气中的现象叫做“气象”。全年的气象状况则是“气候”。平常所说的“天气”，指的是气象现象的结果，即指“晴”或者“雨”这样的大气状态。那么，导致天气发生改变的气象和气候是怎样产生的？从第62页开始，我们就来介绍它们的形成机制，这里的关键，是“气温”、“气压”和“湿度”三个要素。
一切气象现象皆缘于太阳的能量
许多气象现象都可以利用三个要素而得到说明，它们是表示大气温度的“气温”、表示大气压强的“气压”和表示大气中所含水汽多少的“湿度”。这三个要素综合作用的结果，就是刮风或者下雨。
这三个要素中，作用最大的是“气温”，另外两个要素气压和湿度，也要强烈受到气温的影响。气温来自太阳的“热能”。假设到达地球的太阳能为100%，那么，其中49%被用于加热地表，20%被用于加热云和大气中的水汽；剩下的31%中，有22%被云层反射，有9%被地表的雪等反射，最后全都散失到宇宙空间。
地表和大气每天都这样接受多达69%的太阳热能，日复一日，地球的温度却不会无限升高。这是因为，与此同时也有同等数量的热量从地表和大气散逸到宇宙空间。地表和大气接受太阳能量而变暖，但是，这些热量此后又会以红外线的形式全部辐射到宇宙空间。
在其他两个要素中，“气压”是产生“高气压”和“低气压”，形成风的主要原因。“湿度”，也就是水汽，则同产生上升气流形成云层有关。关于这两个因素，在后面还会详细介绍。
空气因受到被太阳加热变暖的地表的加温而变暖
到达地球的太阳热能，大约有一半被用来加热地表使之升温。地表温度升高以后，则会加热地表附近的空气，使空气升温。由于这个缘故，随着高度的增加，气温会下降。气温随高度下降的这种趋势将一直延续到离地表大约10千米的高度。例如，当地表附近空气的温度为15℃时，在10千米的高度，气温会低至－50℃。
也许有人会感到疑惑，既然太阳加热地表，那么，为什么珠穆朗玛峰山顶上的气温却非常低呢？按理说，珠穆朗玛峰山顶倒是地球上离太阳最近的地表哩！这是因为，高山地表的总面积，同海拔0～1000米的平地等地形的总面积相比，前者还不到后者的百分之几，而且是以分散的点状存在。这些孤零零的高山周围全被冰点以下的冷空气包围，因此那里空气的温度非常低。
“高度越高，气温越低”，这个事实对于气象非常重要。被地表加温的地表附近的空气因温度较高而比较轻，高空的空气因温度较低而比较重，这样，地表附近的空气和高空的空气就容易发生对流交换。空气的这种对流交换，便产生出各种各样的气象现象。总之，三个要素中的“气温”会引起上下方向的气流。
哈德利最早提出的赤道和两极间的大气环流模型
太阳光加热地表，但不同地方地表受热变暖的程度并不相同。陆地与海洋的地表温度不同，草原与森林的地表温度也有差异。三个要素中的第二个要素“气压”则会受到这种温度差别的强烈影响。
在地表温度比较高的地方，空气较轻，形成上升气流。这种地方的空气由于温度较高，空气变轻，地表附近空气的气压较低，这就是“低气压”。
上升到高空的空气会逐渐冷却而变重，移动到没有上升气流的其他地方成为下降气流而回到地表。在空气冷而重的地方，气压较高，这就是“高气压”。
从高空下沉到地表的空气无法继续下降，于是，它们就流向气压低的地方。这就是说，在地表附近将形成从高气压区向低气压区的空气流动，这就是“风”。
总而言之，不同地方的地表因受到太阳光加热变暖的程度不同而产生气温差，于是出现了上升气流。这种上升气流再引起气压差（低气压和高气压），于是就出现了风。我们可以说，气压是导致地表附近出现风的要素。
从全球范围看，在赤道附近，接受的太阳热能较多，将出现上升气流；在地球两极附近，则与此相反，将出现下降气流。18世纪，一位叫做乔治·哈德利（1685～1768）的英国气象学家首先想到这一点，提出一种将赤道低气压与两极高气压联系起来的大气大环流模型。赤道上升的空气，在大气上层流向两极。这些空气在两极被冷却以后下降到地面，然后再回到赤道。这种环流周而复始，循环不止。
地球自转使北半球的气流总是向右偏转
哈德利提出的这种大气的大环流模型与实际的大气环流并不相符。例如，在日本附近，我们从天气变化的经验就知道，高气压和低气压是靠西风联系起来的。在低纬度地区，则出现的是东风。在15世纪航海盛行的时代，航海家早就在利用这种风推动帆船航行进行贸易活动。这种东西方向的气流，就无法用哈德利的环流模型来加以解释。
由于地球自转的影响，北半球气流总是受到一个指向前进方向右侧的力的作用
在这里，我们要停下来介绍一下19世纪初一位科学家科里奥利（1792～1843）研究地球自转影响所做的工作。他的结论是，由于地球自转，在北半球，在地球表面运动的物体将始终受到一个指向运动前进方向右侧的作用力，因而物体的运动路径将发生弯曲。这种力叫做“科里奥利力”。
为什么会有科里奥利力？这是因为，在地球表面纬度不同的地点，地球自转的表面线速度不同。例如，赤道的周长大约是4万千米，这正是赤道上一点在一昼夜移动的距离，那么，地球自转在赤道地区的线速度则应该是每小时约1670千米。但是在日本所处位置的北纬35°地区，纬度线的周长大约是3.29万千米，这里的地球自转的线速度则是每小时1370千米（右图1）。
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（更多精彩图片及完整内容请阅览《科学世界》2007年3月号）
