正文 6 風能——來自地球大氣層的能源(1 / 3)

我們常說“萬事俱備,隻欠東風”,這個典故出自我國四大名著之一《三國演義》。公元208年,曹操率大軍駐紮赤壁,想要攻打劉備,劉備與孫權商量後決定聯合抵抗曹操。當時,孫權和劉備兵力很少,而曹操兵多將廣,具有壓倒性優勢。劉備的軍師諸葛亮和孫權的大將周瑜,商討破敵良策,兩人都主張用船火攻。可等一切準備就緒,周瑜卻發現曹操的船隻都停在大江的西北岸,而自己的船隻靠南岸。此時正刮西北風,如用火攻,不但燒不著曹操,反而會燒到自己頭上,隻有刮東南風才能對曹軍發起火攻。周瑜眼看火攻不能實現,急得病倒在床上。這時諸葛亮去探望周瑜,問他何故,周瑜說:“人有旦夕禍福,怎能保住不得病呢?”諸葛亮猜透了他的心事,說道:“天有不測風雲,人怎能預料到呢?”周瑜聽到諸葛亮話中有話,就問有沒有治病的良藥。諸葛亮說:“我有個藥方,保證治好您的病。”說完,寫了16個字,遞給周瑜。這16個字是:欲破曹公,宜用火攻;萬事俱備,隻欠東風。諸葛亮有豐富的天文氣象知識,他預測到近期肯定會刮東南風,就對周瑜說:“我有呼風喚雨的法術,借你三天三夜的東南大風,你看怎樣?”周瑜高興地說:“不要說三天三夜,隻一夜東南大風,大事便成功了。”周瑜命令士兵做好一切火攻的準備,等候諸葛亮借來東風,馬上進兵。諸葛亮讓周瑜在南屏山修築七星壇,然後登壇燒香,口中念念有詞,佯裝呼風喚雨。半夜三更,忽聽風響旗動,周瑜急忙走出軍帳觀看,真的刮起了東南大風,他連忙下令發起火攻。周瑜部將黃蓋,率領火船向曹操水寨急駛,當火船靠近曹軍水寨時;一聲令下,士兵們順風放火燒船。風助火勢,火借風威,把曹營的戰船燒個一幹二淨。這段曆史上著名的“諸葛亮借東風”的故事成為婦孺皆知的一段佳話。這個故事中,沒有東風就不能火燒曹營。從此以後,東風常用來比作事情成敗的關鍵。風在我們的日常還有哪些用途呢?下麵讓我們走近來自地球大氣層的能源——風能。

6.1風吹草動

對於風,想必我們一點也不陌生。在美麗的大自然中,風無處不在,無時不有。當我們看見小草隨風搖曳的時候,我們就知道是風帶來了生機;當我們眺望窗外,看雲卷雲舒,我們感覺到了風的活潑。寒暑相易,四季交替更迭,有微風拂麵的春天、風狂雨驟的夏天、秋風送爽的秋天、寒風凜冽的冬天。對於風,我們有著別樣的情結,許多古詩詞中都可以尋覓到風的蹤跡:

夜來風雨聲,花落知多少。(孟浩然《春曉》)

林暗草驚風,將軍夜引弓。(盧綸《塞下曲》)

相見時難別亦難,東風無力百花殘。(李商隱《無題》)

昨夜西風凋碧樹,獨上高樓,望盡天涯路。(晏殊《蝶戀花》)

夜來南風起,小麥覆隴黃。(白居易《觀刈麥》)

北風蕭瑟,洪波湧起。(曹操《觀滄海》)

沾衣欲濕杏花雨,吹麵不寒楊柳風。(誌南《絕句》)

那麼風究竟是什麼?它是怎麼形成的?風對我們的生活有又哪些影響呢?讓我們一起來認識風。

風是地球上的最常見的一種自然現象。我們都知道,白天太陽照在地麵上,地麵的溫度會升高,但是在地球的不同地方,受到太陽照射的多少是不同的,受照射多地方溫度就高,照射少的地方溫度就低,這樣在地球表麵各處就會出現由於太陽照射不同而產生溫度差,溫度差會引起壓力差。一般來說,溫度高的地方壓力高,溫度低的地方壓力低,空氣就會像水流一樣從壓力高處流向壓力低處,空氣的這種自然流動就形成了風。

在中學物理課中,我們學過運動的物體具有動能,風有一定的質量和速度,在空氣流動過程中,風具有的動能稱為風能。從風的形成過程來看,風能最終還是來自於太陽能。據估計,到達地球的太陽能雖然隻有大約2%轉化為風能,但其總量仍十分可觀。全球的風能約為2.74×109兆瓦,其中可利用的風能為2×107兆瓦,比地球上可開發利用的水能總量還要大10倍。專家們估計,風能比人類迄今為止所能控製的總能量高得多。全世界每年燃燒煤炭得到的能量,還不到風能的1%。可見,風能是多麼巨大,如果我們能大量地利用風能,那麼目前的能源危機就會大大地緩解。

風的大小常用風速來表示,也就是風流動的快慢。按風速不同,分為不同的級數。風的級數為0~12級。有一首兒歌是這樣唱的:

零級煙柱直衝天,一級清煙隨風偏,

二級輕風吹臉麵,三級葉動紅旗展,

四級枝搖飛紙片,五級帶葉小樹搖,

六級舉傘步行難,七級迎風走不便,

八級風吹樹枝斷,九級屋頂飛瓦片,

十級拔樹又倒屋,十一、十二級陸上很少見。

例如,風速8~10m/s的風為5級風,它吹到物體表麵上,每平方米約產生10千克力,可以使小樹發生搖擺;風速為20米/秒的風為9級風,可使每平方米麵積壓力可達50千克左右,這個風力可以掀翻屋頂,甚至把煙囪頂部吹得搖動起來;速度更快的是台風,台風的風速可達50~60米/秒,它對每平方米物體表麵施加的壓力,可高達200千克力以上,陸上很少見到,其摧毀力極大。洶湧澎湃的海浪是被風激起的,它對海岸的衝擊力相當大,有時可達每平方米2×104~3×104千克力的壓力,最大時甚至可達每平方米6×104千克力左右的壓力。

我們平時可能聽到過有關風的一些詞彙,如“陣風”“旋風”“台風”“颶風”以及“龍卷風”等,那麼風都有什麼類型的呢?它們之間有什麼區別呢?

陣風:當空氣的流動速度時大時小時,會使風變得忽而大,忽而小,吹在人的身上有一陣陣的感覺,這就是生活上認定的陣風。氣象上,風速通常指2分鍾內的平均情況,而風速時大時小,陣風通常就是指這段時間裏最大的瞬時風速。如果天氣預報,今天風力4~5級,陣風6級,就是說今天平均風力4~5級,最大瞬時風力可達6級。

旋風:當空氣攜帶灰塵在空中飛舞形成漩渦時,這就是旋風。

焚風:當空氣跨越山脊時,由於空氣下沉,背風坡上容易發生一種暖(或熱)而幹燥的風,就叫焚風。

山穀風:在山區,白天風沿山坡、山穀往上吹,夜間則沿山坡、山穀往下吹,這種在山坡和山穀之間,隨晝夜交替而轉換風向的風叫山穀風。

海陸風:在近海岸地區,白天風從海上吹向大陸上,夜間又從陸上吹向海上,這種晝夜交替、有規律地改變方向的風稱海陸風。

冰川風:冰川表麵溫度低,空氣下沉,迫使冰川邊緣較暖的空氣上升,從而引起空氣流動,由此形成的風叫冰川風。

季風:隨著季節交替,盛行風向有規律地轉域的風。在冬季,空氣從高壓的陸上流向低壓的海上,這叫冬季風;在夏季,風從海上吹向陸上,叫夏季風。我國是季風顯著的國家,冬季多偏北風,夏季多偏南風。這就給我國大部分地區帶來了冬幹夏濕的季風氣候特色。

信風:在低層大氣中,從副熱帶高壓吹向赤道地區廣大區域內的持續性風。在北半球,盛行的是東北信風;而在南半球則是東南信風。信風的特征是具有常年性,朝一個方向以幾乎不變的力量整年吹。

反信風:在赤道地方上升的熱空氣到了大氣上層分向兩級流動,這種氣流就稱反信風。由於地球自轉的作用,反信風在北半球偏右,在南半球偏左。反信風不斷把空氣帶到緯度30°~35°的地帶,構成空氣聚積的狀態,形成副熱帶高壓帶。所以在此區域沙漠較多。

台風和颶風:指中心持續風速達到12級的熱帶氣旋中心。這兩種風隻是發生地點不同,叫法不同。在北太平洋西部、國際日期以西叫台風;而在大西洋或北太平洋東部的熱帶氣旋則稱颶風。也就是說在美國一帶稱颶風,在菲律賓、中國、日本一帶叫台風。

龍卷風:又稱龍卷、龍吸水等,是一種相當猛烈的天氣現象,由快速旋轉並造成直立中空管狀的氣流形成。龍卷風實質上是一種強烈的、小範圍的空氣渦旋,它上部是一塊烏黑或濃灰的積雨雲,下部是下垂著的形如大象鼻子的漏鬥狀雲柱,一般伴有雷雨,有時也伴有冰雹。大多數龍卷風直徑約75米,風速在64~177千米/時,可橫掃數千米。還有一些龍卷風風速可超過480千米時,直徑達1.6千米以上,移動路經超過100千米。僅僅一處龍卷風,就可以造成十分驚人的破壞。龍卷風所到之處,滿目瘡痍:斷磚碎瓦、被“腰斬”的大樹、被砸得麵目全非的汽車……

由此可見,風不僅類別繁多,而且風能能量很大,在自然界中所起的作用也很大。它可使山岩發生侵蝕,塑造沙漠,形成風海流、沙塵暴,比如黃土高原的形成。它還可在地麵輸送水分。空氣中的水分主要是由風輸送的,從而影響氣候,形成雨季和旱季。風可傳播植物花粉、種子,幫助植物授粉和繁殖,比如蒲公英的種子就是靠風來傳播的。合理利用風能,風力發電,既可減少環境汙染,又可減緩越來越嚴重的能源緊張局勢。

6.2風生水起

風能是一種取之不盡、用之不竭、可再生、無汙染的清潔能源。人類利用風能的曆史可以追溯到公元前。在國外,公元前2世紀,古波斯人就利用垂直軸風車碾米;10世紀阿拉伯人用風車作為動力提水,11世紀風車在中東已獲得廣泛的應用,13世紀風車傳至歐洲,14世紀風車已成為歐洲不可缺少的動力來源。這其中非常出名的要數荷蘭風車了,開始時它僅用於磨粉之類。到了十六七世紀,荷蘭的各種原料,從各路水道運往風車加工,其中包括木材、大麻籽和亞麻籽、肉桂和胡椒。在荷蘭的大港——鹿特丹和阿姆斯特丹的近郊,有很多風車的磨坊、鋸木廠和造紙廠。荷蘭人民首先是給風車配上活動的頂篷,他們又把風車的頂篷安裝在滾輪上。這種風車,被稱為荷蘭式風車。後來由於蒸汽機的出現,才使歐洲風車數量急劇下降。

我國是世界上最早利用風能的國家之一。公元前數世紀,我國人民就利用風力提水、灌溉、磨麵、舂米,用風帆推動船舶前進;古代甲骨文字中就有“帆”字存在;唐代大詩人李白的詩句“乘風破浪會有時,直掛雲帆濟滄海”,說明當時風帆船已廣泛用於江河航運。宋代更是我國應用風車的全盛時代,當時流行的垂直軸風車,一直被沿用至今。1800年前東漢劉熙所著《釋名》寫到:隨風張幔曰帆,使舟疾泛泛然也,說明我國是世界上最早利用風能的國家之一。明代宋應星的《天工開物》書中有“揚郡以風帆數扇,俟風轉車,風息則止”的記載,表明在明代以前,我國勞動人民就會製作將風力的直線運動轉變為風輪旋轉運動的風車,我國在風能利用上領先了一大步。我國東南沿海向來有使用風力提水的習慣。