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TUhjnbcbe - 2023/6/15 22:09:00

说起台风,我们经常会听到这样一句话:“巴西亚马逊雨林中一只蝴蝶扇动翅膀,有可能在万里之外的某某地方引发飓风”,以此表示一个很小的事件可能因为连锁反应而导致非常严重的后果。由于类似的言论来自于美国著名的数学家和气象学家爱德华·洛伦茨(EdwardLorenz),许多人以为台风都是由一个非常小的偶然事件引起的,这种现象被称为“蝴蝶效应”。蝴蝶真有这么大能耐?当然不是。

(蝴蝶引起台风?)

蝴蝶扇动翅膀的能量有多大?

蝴蝶是一种鳞翅目小昆虫,它们大多体型小巧且轻盈,重不足1克。与身体相比,蝴蝶的翅膀非常宽大,但大部分张开翅膀宽度也不超过10厘米,蝴蝶利用胸鳍强大的肌肉拉动翅膀飞行。

与鸟类、蝙蝠或其它大型昆虫不同,蝴蝶娇小的身体无法储存太多能量来拍打翅膀,它需要用最节省体力的方式飞行。

蝴蝶收缩身体,用翅膀的前缘向下切开空气,然后旋转翅膀向上方切,就像我们划船摇橹那样,蝴蝶的翅膀以“8”字形轨迹倾斜地扇动空气,利用空气在翅膀鳞片上产生的阻力推动自己前进。

(蝴蝶扇动翅膀)

蝴蝶飞行是如此轻盈,以至于它扇动翅膀很少有额外的能量浪费。同时由于空气本身存在黏度,蝴蝶翅膀对空气的压缩和扰动只能影响附近几厘米距离,不能形成明显的“涟漪效应”,更不会引发更远处空气产生类似多米诺骨牌的连锁反应。

(蝴蝶飞舞并不能影响旁边的花朵)

既然与蝴蝶扇动翅膀无关,台风到底是如何形成的呢?

在气象学上,台风(美国称飓风)指热带气旋。它几乎完全形成于热带海域温暖的水面之上,并且要满足下面几个环境条件:

1、足够多的温暖海水,水深大于46米,水温高于27摄氏度;

2、海面热空气上升到高空时要能够很快地冷却下来;

3、在大约米高度的对流层附近要有充足的水汽补充;

4、与赤道的距离大于公里;

5、形成垂直风切变的条件要充分。

(台风在海洋产生和移动轨迹)

从年~年间所有热带气旋轨迹图像,我们可以很容易地看出台风基本上形成于北太平洋东西两侧、印度洋和北大西洋温暖海面上。南美洲东西两侧几乎没有台风生成。赤道上方的台风很少,并非这里的海水不够热,而是因为气旋的形成需要地球自转为它提供初始的角动量,也就是我们常说的科里奥利力,角动量不足,上升气流无法形成气旋。

温暖海水加热上方的空气,热空气上升,从而在海面形成一个低气压区(L)。四周的空气向这个低气压区流动,并且在科里奥利力的作用下发生旋转;空气越往中心旋转速度越快,同时被加热向上抬升,气旋在热空气推动下越来越强,反过来使中心气压越来越低。

(气旋形成过程)

温暖湿润的热空气升到高空迅速冷却形成风暴云,在北半球,整个气旋和风暴云都以逆时针方向旋转,而在南半球的旋转方向则是顺时针。

形成台风需要十分强大的能量,海面要提供足够多的热能、高空要足够冷以形成巨大温差、中间有源源不断的水汽补充,还需要地球自转科里奥利力的推动。一旦中间某个环节提供的能量不足,台风就会迅速削弱甚至消失无踪。

我们经常从天气预报里听到“强台风在某某地方登陆、减弱为热带低压”的消息,就是因为与海洋相比,陆地提供的热能和水汽都不够,无法维持气旋运行。

(一个北半球的热带气旋)

台风蕴含着极大的能量,科学家估计,每个热带气旋平均释放的能量约为全球总发电量的倍,相当于每20分钟引爆一颗万吨当量的核弹。我们都知道能量守恒,诱发如此巨大能量的原因,当然不可能是小小蝴蝶扇动几下翅膀,试想一下,任何人打喷嚏的能量都比蝴蝶强上万倍,世界岂不乱套。

那么,“蝴蝶效应”到底是怎么回事?

蝴蝶效应是混沌理论在气象学上的一个应用术语,它指在任何情况下,微小的变化可能会造成更大的后果,最终导致天气预报发生偏差。

年,雷·布拉德伯里在他的短篇小说《雷声》中写道:“一只蝴蝶死亡造成的连锁反应,有可能对随后的历史事件产生深远影响。”

(Lorenz方程初始变量的小变化造成y变量巨变)

年,洛伦茨用电子管计算机计算天气变化情况,由于他将初始条件的值0.输入为0.,省掉了小数点最后三位数字,结果发现即使是这微不足道的偏差,却得出截然不同的结果。洛伦茨用蝴蝶和飓风来比喻这个数学现象,“蝴蝶效应”也因此得名。

最后还是让我们回到蝴蝶的翅膀上。尽管混沌理论可以解释许多气象学中预报不准确的现象,它也适用于许多科学场景,但就热带气旋形成的要素来讲,如此小的事件是没办法引发一场台风的。

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