風能來源于何處?

【專家解說】：　　風能來源的探究 　　近期個人開始涉足業(yè)余研究風力發(fā)電，不由得常常思考：風能來于何處？是什么原因產(chǎn)生了風？如果一個研究風力發(fā)電的人，連風能的來源都搞不清，豈不可嘆！我認為：對此不僅要知其然，更要知其所以然。 　　可能許多人都會好笑，這么簡單的問題誰不知道，風是由太陽光的熱量引發(fā)空氣流動產(chǎn)生的。中小學的課本里寫的清清楚楚：由于熱空氣上升，冷空氣補充，空氣對流產(chǎn)生了風。 　　事實果真如此嗎？從表相看似乎很有道理，也很容易拿出事實依據(jù)，比如：室內(nèi)生爐子取暖，熱空氣上升，冷空氣補充，造成空氣對流循環(huán)，屋子里很快就暖和起來了。這些生活中的小常識，比比皆是，還有什么值得懷疑？確實如此，正是火爐的熱量造成了室內(nèi)空氣的對流循環(huán)，但是自然界的風也是這樣形成的嗎？ 　　通過深入思考，發(fā)現(xiàn)情況并非如此。多年來，人們被局部的微觀表相掩蓋了自然界的宏觀真相。我們可以先從地球大氣層的整體來進行分析：地球大氣圈總質(zhì)量5300萬億噸，占地球總質(zhì)量的百萬分之一。大氣的質(zhì)量主要集中在下部，其中50％集中在6公里以下， 75％集中在10公里以下，90％集中在30公里以下，99.9％集中在50公里以下，99.99％集中在85公里以下。我們所見的各種天氣現(xiàn)象，風雪云雨雷電之類，多半是在12公里以下的大氣對流層里發(fā)生的。 　　地球是一個直徑12756公里的星球，即使按100公里厚度的大氣層來進行比較，也僅僅是裹在地球表面一層極薄極薄的氣體外殼，究竟薄到什么程度？我打一個直觀的比方：假設將地球按比例縮小到一只標準籃球（直徑246毫米）大小，100公里厚度的大氣折算下來也僅有1.93毫米，如果按對天氣影響最大的12公里厚度計算，則不到0.24毫米。不用解釋大家就能明白，這樣情況下無論熱空氣怎樣上升，也不可能引發(fā)全球大氣環(huán)流。如果真的能引起大氣遠距離的對流，也應該是冷空氣從兩極向赤道的徑向流動，怎么會引發(fā)全球規(guī)模的緯向流動呢？ 　　再說，雖然從理論上分析，大氣底層熱空氣會上升，但也不可能升到那兒去，因為即使熱量不易擴散的熱氣球，其上升高度也非常有限；何況從地表上升的熱空氣，在上升的過程中還要不斷擴散和冷卻，很快就會失去繼續(xù)上升的能量，比如：在民航機飛行的10公里高度，溫度已降到零下55度。事實上，地表溫度比高空冷的現(xiàn)象，也從來沒有發(fā)生過?？梢娙魏蔚孛鏌峥諝獾纳仙叨?，都很難突破12公里的對流層界限。退一步說，即使地面熱空氣能夠上升到這樣的高度，也不可能影響更高處的平流層大氣流動。當然海水溫度的變化和大面積熱空氣的上升會影響或干擾低層大氣的流動，加上地形山脈的走向等也會改變近地空間的大氣流向，但這些都不是造成大氣流動的主要原因，也不會引發(fā)對流層頂部西風帶的大氣環(huán)流。 　　那么大氣環(huán)流暨風能的主要來源靠什么？其實，人們忽略了太陽的另一種能量——太陽風，所謂太陽風也就是從太陽表面不斷向外輻射的高能粒子（離子）流，這些高能粒子以每秒約800公里速度撞向地球，當其撞擊地球兩極的電離層時，就會引發(fā)人類熟知的北極光和南極光。同樣也是太陽風把彗星周圍的塵埃和氣體吹向后面，形成長長的彗尾。1959年7月15日發(fā)生的太陽大噴發(fā)，幾天后的21日，吹襲到地球的太陽風，竟使地球的自轉(zhuǎn)速度突然減慢了0.85毫秒，并引發(fā)了全球多起地震，由此可見太陽風的能量是多么地巨大。 　　其實，地球是在太陽風的裹挾下做自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)運動的，正是太陽風引發(fā)了大氣環(huán)流。經(jīng)連續(xù)多日的反復思考，本人試作如下解釋，分析不對之處，敬請高人斧正。 　　為了更好地分析地球大氣層在太陽風的作用下受力情況，不妨分步假設進行分析： 　　第一步，假設在地球運行軌道上有一個質(zhì)量均勻、表面光滑、由固態(tài)物質(zhì)組成的圓柱體，該圓柱體的直徑和高度都等同于地球的直徑，其表面也有著同樣厚度的大氣層，且圓柱體的中軸線垂直于地球公轉(zhuǎn)平面。當該圓柱體停留在地球軌道上既不公轉(zhuǎn)也不自轉(zhuǎn)時，圓柱體兩側(cè)的大氣層在太陽光的照射下，向陽面溫度升高，背陽面溫度極低；在太陽風的強力沖擊下，圓柱體兩側(cè)的大氣層受力相等，太陽風的動能相互抵消，所以圓柱體兩側(cè)的大氣不流動，只是向陽面厚度變薄，背陽面厚度增加，形成類似慧星的大氣拖尾現(xiàn)象，并會有極少量氣體逃逸到太空。 　　第二步，假設該圓柱體以每秒30公里的速度開始繞太陽公轉(zhuǎn)，在每秒800公里的太陽風高速沖擊下，流經(jīng)圓柱體兩側(cè)的太陽風密度就會產(chǎn)生差異，其動能不會相互抵消，并且兩側(cè)所有不同緯度的壓力差相等。這樣圓柱體側(cè)面的大氣層就會旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)大氣層的長期作用下，圓柱體本身也必然產(chǎn)生自轉(zhuǎn)，且自轉(zhuǎn)速度越來越快，最終接近大氣層的旋轉(zhuǎn)速度，這時圓柱體表面與大氣之間的相對風速趨近于零。 　　第三步，假設該圓柱體變成了圓球體，這時不同緯度的太陽風壓力差發(fā)生了變化。隨著緯度的增加，太陽風的壓力差逐步變小，在旋轉(zhuǎn)極附近壓力差趨近于零。這時高緯度地區(qū)大氣的旋轉(zhuǎn)速度逐步降低，相對轉(zhuǎn)動較快的圓球體表面，反而起到了逆風阻滯作用，并帶動圓球體轉(zhuǎn)速也相應降低，并最終達到了動態(tài)平衡。這時赤道附近的低緯度地區(qū)旋轉(zhuǎn)速度低于大氣旋轉(zhuǎn)速度，形成正向風，兩極附近的高緯度地區(qū)旋轉(zhuǎn)速度高于大氣旋轉(zhuǎn)速度，形成逆向風。由于赤道附近低緯度地區(qū)的轉(zhuǎn)動力矩大，相對旋轉(zhuǎn)速度差距不大，表現(xiàn)為風力較??；而兩極附近的高緯度地區(qū)的轉(zhuǎn)動力矩小，必然相對旋轉(zhuǎn)速度差距大，才能達到動態(tài)平衡，所以表現(xiàn)為風力較大。 　　第四步，假設該圓球體的結(jié)構發(fā)生了變化，由質(zhì)量均勻、表面光滑的固態(tài)物質(zhì)，變成了質(zhì)量不均勻、表面不光滑，且是表面存在液態(tài)水和水蒸汽的圓球體。由于慣性旋轉(zhuǎn)動量的不平衡，該圓球體自轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生了23.5度的傾斜，不僅氣體旋轉(zhuǎn)平面與圓球體旋轉(zhuǎn)平面形成了同樣23.5度夾角，而且圓球體表面溫度產(chǎn)生了季節(jié)變化。再加上圓球體表面的折縐、固態(tài)表面和液態(tài)表面的吸熱差異、以及水蒸汽遮擋陽光造成的局部溫差變化等等眾多因素，使得該圓球體的大氣流動，特別是底部大氣的流動變得相當復雜。 　　哈哈，不用解釋第四步假設就是當今的地球！接著向下分析大氣流動，應該氣象學家的事啦。我這名業(yè)余科技愛好者，只是探究風能的來源；我的目的已經(jīng)達到，風能主要來自于太陽風高能粒子的動能。真不明白，目前的天文學和氣象學為何分工如此明確？天文學家不太關心氣象，而氣象學家僅僅以氣體受熱膨脹的物理現(xiàn)象，來簡單地解釋風的成因；這樣確實很省心，因為西方的經(jīng)典理論也是這么解釋的呀。 　　應當承認，地表附近的熱氣流是會造成局部風向的變化，特別是熱帶海洋表面的熱氣流，對底層大氣的擾動更嚴重；在一定的條件下，甚至會誘發(fā)底層大氣產(chǎn)生局部渦流，也就是人們常見的臺風或颶風。但臺風或颶風的能量，主要還是來源于大氣環(huán)流，海洋表面的熱氣流擾動只是其產(chǎn)生的誘因。這就是為什么臺風或颶風只發(fā)生在低緯度地區(qū)，正因為低緯度地區(qū)承受的太陽風的能量密度遠遠高于高緯度地區(qū)，加上低緯度地區(qū)的熱帶暖濕氣流活動強烈，所以臺風或颶風只發(fā)生在夏季的低緯度地區(qū)。不管從氣象學意義上說，地表附近的熱氣流活動有多強烈，但與太陽風所攜帶的巨大能量相比，真是微不足道。 　　可以說，我們現(xiàn)在追求的低碳經(jīng)濟新能源，太陽能、水能、風能、生物質(zhì)能和地熱能，除了地熱資源外，全都是來自太陽。盡管太陽能發(fā)電、水力發(fā)電和風力發(fā)電都是利用太陽的能量，但還應有所區(qū)別，準確地說：太陽能發(fā)電是直接利用太陽的光能，水力發(fā)電是間接利用太陽光的熱能，而風力發(fā)電是間接利用太陽風的動能。所以，從嚴格意義上講，風能資源的開發(fā)，就是對太陽風的動能間接利用。對于風能這種取之不盡，用之不竭的清潔能源，我們不僅要弄清它的來源，更要設法找到高效、低成本的開發(fā)利用方法，相信：憑著人類的智慧，這一天將會很快到來！ 　　南京 王樹然 　　2010年2月5日