风能来源于何处?

【专家解说】：　　风能来源的探究 　　近期个人开始涉足业余研究风力发电，不由得常常思考：风能来于何处？是什么原因产生了风？如果一个研究风力发电的人，连风能的来源都搞不清，岂不可叹！我认为：对此不仅要知其然，更要知其所以然。 　　可能许多人都会好笑，这么简单的问题谁不知道，风是由太阳光的热量引发空气流动产生的。中小学的课本里写的清清楚楚：由于热空气上升，冷空气补充，空气对流产生了风。 　　事实果真如此吗？从表相看似乎很有道理，也很容易拿出事实依据，比如：室内生炉子取暖，热空气上升，冷空气补充，造成空气对流循环，屋子里很快就暖和起来了。这些生活中的小常识，比比皆是，还有什么值得怀疑？确实如此，正是火炉的热量造成了室内空气的对流循环，但是自然界的风也是这样形成的吗？ 　　通过深入思考，发现情况并非如此。多年来，人们被局部的微观表相掩盖了自然界的宏观真相。我们可以先从地球大气层的整体来进行分析：地球大气圈总质量5300万亿吨，占地球总质量的百万分之一。大气的质量主要集中在下部，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。我们所见的各种天气现象，风雪云雨雷电之类，多半是在12公里以下的大气对流层里发生的。 　　地球是一个直径12756公里的星球，即使按100公里厚度的大气层来进行比较，也仅仅是裹在地球表面一层极薄极薄的气体外壳，究竟薄到什么程度？我打一个直观的比方：假设将地球按比例缩小到一只标准篮球（直径246毫米）大小，100公里厚度的大气折算下来也仅有1.93毫米，如果按对天气影响最大的12公里厚度计算，则不到0.24毫米。不用解释大家就能明白，这样情况下无论热空气怎样上升，也不可能引发全球大气环流。如果真的能引起大气远距离的对流，也应该是冷空气从两极向赤道的径向流动，怎么会引发全球规模的纬向流动呢？ 　　再说，虽然从理论上分析，大气底层热空气会上升，但也不可能升到那儿去，因为即使热量不易扩散的热气球，其上升高度也非常有限；何况从地表上升的热空气，在上升的过程中还要不断扩散和冷却，很快就会失去继续上升的能量，比如：在民航机飞行的10公里高度，温度已降到零下55度。事实上，地表温度比高空冷的现象，也从来没有发生过。可见任何地面热空气的上升高度，都很难突破12公里的对流层界限。退一步说，即使地面热空气能够上升到这样的高度，也不可能影响更高处的平流层大气流动。当然海水温度的变化和大面积热空气的上升会影响或干扰低层大气的流动，加上地形山脉的走向等也会改变近地空间的大气流向，但这些都不是造成大气流动的主要原因，也不会引发对流层顶部西风带的大气环流。 　　那么大气环流暨风能的主要来源靠什么？其实，人们忽略了太阳的另一种能量——太阳风，所谓太阳风也就是从太阳表面不断向外辐射的高能粒子（离子）流，这些高能粒子以每秒约800公里速度撞向地球，当其撞击地球两极的电离层时，就会引发人类熟知的北极光和南极光。同样也是太阳风把彗星周围的尘埃和气体吹向后面，形成长长的彗尾。1959年7月15日发生的太阳大喷发，几天后的21日，吹袭到地球的太阳风，竟使地球的自转速度突然减慢了0.85毫秒，并引发了全球多起地震，由此可见太阳风的能量是多么地巨大。 　　其实，地球是在太阳风的裹挟下做自转和公转运动的，正是太阳风引发了大气环流。经连续多日的反复思考，本人试作如下解释，分析不对之处，敬请高人斧正。 　　为了更好地分析地球大气层在太阳风的作用下受力情况，不妨分步假设进行分析： 　　第一步，假设在地球运行轨道上有一个质量均匀、表面光滑、由固态物质组成的圆柱体，该圆柱体的直径和高度都等同于地球的直径，其表面也有着同样厚度的大气层，且圆柱体的中轴线垂直于地球公转平面。当该圆柱体停留在地球轨道上既不公转也不自转时，圆柱体两侧的大气层在太阳光的照射下，向阳面温度升高，背阳面温度极低；在太阳风的强力冲击下，圆柱体两侧的大气层受力相等，太阳风的动能相互抵消，所以圆柱体两侧的大气不流动，只是向阳面厚度变薄，背阳面厚度增加，形成类似慧星的大气拖尾现象，并会有极少量气体逃逸到太空。 　　第二步，假设该圆柱体以每秒30公里的速度开始绕太阳公转，在每秒800公里的太阳风高速冲击下，流经圆柱体两侧的太阳风密度就会产生差异，其动能不会相互抵消，并且两侧所有不同纬度的压力差相等。这样圆柱体侧面的大气层就会旋转，在旋转大气层的长期作用下，圆柱体本身也必然产生自转，且自转速度越来越快，最终接近大气层的旋转速度，这时圆柱体表面与大气之间的相对风速趋近于零。 　　第三步，假设该圆柱体变成了圆球体，这时不同纬度的太阳风压力差发生了变化。随着纬度的增加，太阳风的压力差逐步变小，在旋转极附近压力差趋近于零。这时高纬度地区大气的旋转速度逐步降低，相对转动较快的圆球体表面，反而起到了逆风阻滞作用，并带动圆球体转速也相应降低，并最终达到了动态平衡。这时赤道附近的低纬度地区旋转速度低于大气旋转速度，形成正向风，两极附近的高纬度地区旋转速度高于大气旋转速度，形成逆向风。由于赤道附近低纬度地区的转动力矩大，相对旋转速度差距不大，表现为风力较小；而两极附近的高纬度地区的转动力矩小，必然相对旋转速度差距大，才能达到动态平衡，所以表现为风力较大。 　　第四步，假设该圆球体的结构发生了变化，由质量均匀、表面光滑的固态物质，变成了质量不均匀、表面不光滑，且是表面存在液态水和水蒸汽的圆球体。由于惯性旋转动量的不平衡，该圆球体自转轴产生了23.5度的倾斜，不仅气体旋转平面与圆球体旋转平面形成了同样23.5度夹角，而且圆球体表面温度产生了季节变化。再加上圆球体表面的折绉、固态表面和液态表面的吸热差异、以及水蒸汽遮挡阳光造成的局部温差变化等等众多因素，使得该圆球体的大气流动，特别是底部大气的流动变得相当复杂。 　　哈哈，不用解释第四步假设就是当今的地球！接着向下分析大气流动，应该气象学家的事啦。我这名业余科技爱好者，只是探究风能的来源；我的目的已经达到，风能主要来自于太阳风高能粒子的动能。真不明白，目前的天文学和气象学为何分工如此明确？天文学家不太关心气象，而气象学家仅仅以气体受热膨胀的物理现象，来简单地解释风的成因；这样确实很省心，因为西方的经典理论也是这么解释的呀。 　　应当承认，地表附近的热气流是会造成局部风向的变化，特别是热带海洋表面的热气流，对底层大气的扰动更严重；在一定的条件下，甚至会诱发底层大气产生局部涡流，也就是人们常见的台风或飓风。但台风或飓风的能量，主要还是来源于大气环流，海洋表面的热气流扰动只是其产生的诱因。这就是为什么台风或飓风只发生在低纬度地区，正因为低纬度地区承受的太阳风的能量密度远远高于高纬度地区，加上低纬度地区的热带暖湿气流活动强烈，所以台风或飓风只发生在夏季的低纬度地区。不管从气象学意义上说，地表附近的热气流活动有多强烈，但与太阳风所携带的巨大能量相比，真是微不足道。 　　可以说，我们现在追求的低碳经济新能源，太阳能、水能、风能、生物质能和地热能，除了地热资源外，全都是来自太阳。尽管太阳能发电、水力发电和风力发电都是利用太阳的能量，但还应有所区别，准确地说：太阳能发电是直接利用太阳的光能，水力发电是间接利用太阳光的热能，而风力发电是间接利用太阳风的动能。所以，从严格意义上讲，风能资源的开发，就是对太阳风的动能间接利用。对于风能这种取之不尽，用之不竭的清洁能源，我们不仅要弄清它的来源，更要设法找到高效、低成本的开发利用方法，相信：凭着人类的智慧，这一天将会很快到来！ 　　南京 王树然 　　2010年2月5日