地理科普：带你认识我们的家园-行星地球 25.放飞热气球

飞翔的热气球

热气球是怎么飞上天空的呢？这是因为空气动起来了。要解释空气运动的原因和过程，得先介绍一个物理学概念“气压”。

地球表面覆盖着厚厚的大气层，人类全被包裹在其中。大气层也受到地球引力的作用而产生重力。这就相当于每个人都顶着一定重量的空气柱在生活。那么为何我们感觉不到空气柱的重量呢？这是因为我们已经习惯了空气柱的存在，就像水中的鱼儿感觉不到水的压力一样。科学家将单位面积上空气柱的重量，叫作气压，单位是帕斯卡，简称帕。国际上规定，将温度为0℃，纬度45°海平面上的气压定为一个标准大气压，数值约101千帕。

海拔高度是一个地方高出海平面的垂直距离。海拔越高的地方，其上部空气柱的重量越低，气压值也越低。比如青藏高原，气压只有60千帕左右，因为气压过低，水不到100℃就沸腾了，需要用高压锅来煮东西。在低海拔地区生活惯了的人到了青藏高原会出现高原反应，头晕目眩、恶心呕吐，也是因为不适应那里的低气压。

海拔高度相同的地方也会有高气压和低气压的差异，这是因为不同的地方接受的太阳辐射量不一样，地面温度不同，最明显的比如赤道地区和两极地区。受热多的地方，近地面的空气也受热膨胀，密度变小，空气受到浮力作用而上升，近地面形成低压区；上升的空气在高空聚集，形成同一海拔高度上相对的高压区。受热少的地方，近地面气流则以冷却下沉为主，形成高压区；因为空气下沉到近地面，上空的气流密度变小，形成同一海拔高度上相对的低压区。

热气球的飞行就是这个原理，依靠加热球囊中的空气使它密度变小，在周围冷空气的浮力作用下升入天空。当停止加热时，球囊里的空气逐渐冷却，热气球才能重新回到地面。

水平方向上，空气总是从气压高的地区流向气压低的地区，也就是从气温低的地区流向气温高的地区，空气的水平流动就是我们熟悉的风。高空的风也是从高压区吹向低压区，但是风向与近地面相反。高空风，加上近地面的风，以及空气受热上升、遇冷下沉的垂直运动，共同组成了完整的空气运动循环，叫作热力环流，它是大气运动最简单的形式。我们可以用热力环流原理来解释生活中的许多自然现象。

冬天，装有暖气的教室很温暖，如果有同学打开教室的门，坐在门口第一排的人一定会先感觉有冷风从下面吹着自己的腿和脚。这是因为教室里气温高，空气密度小，气压低；而外面气温低，空气密度大，气压高，冷空气便紧贴地面吹进教室里。

把空间尺度放大到城市范围，一座城市就像一个地区内的“热岛”，因为城市人口密集，人们的生产生活产生大量的热，致使城市比周围郊区气温高，形成区域内的低压中心，风便常年从四面八方的郊区吹向市区，形成城市风。如果要建设可能产生大气污染的工业，并不是随便在郊区找块儿地就行了，而是要布局在城市风可以影响到的范围之外，并在工厂与郊区之间种植树木，建设绿化隔离带，因为“城市风”会把郊区的污染物带回市区。

山区白天与夜晚的风向会发生变化，白天山顶受到太阳的强烈照射，迅速升温，形成低压区，而山谷因山峰和树木的阻挡，升温较慢，形成较冷的高压区，风从山谷吹向山顶，叫谷风；夜晚，山顶迅速冷却降温，形成高气压区，而山谷因地势低，加上人类活动和水体的影响，降温慢，比较温暖，盛行上升气流，近地面形成低压区，凉凉的风便从山顶吹向山谷，成为山风。山谷风是山区特有的热力环流现象。“何当共剪西窗烛，却话巴山夜雨时”，巴山之所以多夜雨，就是因为山区地形条件下这种独特的热力环流形式造成的，夜晚山谷温暖，气流上升，越往上气温越低，空气中的水汽便凝结成云雨降落下来。

在沿海地区，白天和夜晚的风向会有所不同。这是因为，水体的比热容（吸热或散热的能力）比陆地大，吸收同样的太阳辐射热量，水体升高的温度较少，所以，白天陆地比海洋升温快，陆地上气流上升，在近地面形成低压区，同一海拔高度的海洋上则形成高压区，风从海洋吹向陆地，叫作海风；夜晚陆地比海洋降温快，陆地上形成高压区，海洋上形成低压区，风从陆地吹向海洋，叫作陆风。海陆风也是常见的热力环流现象。

影响中国大部分地区的季风现象，是一种更大时空尺度的热力环流。夏季，大陆比海洋温度高，形成低气压中心，风从海洋吹向陆地，带来丰沛的降水；冬季大陆比海洋气温低，形成高压中心，强劲的风从大陆吹向海洋。中国位于面积最大的亚欧大陆上，面向面积最大的太平洋，受海洋和陆地的季节性温度变化影响很大，形成了世界上最典型的季风气候。

世界上很多不同尺度的事物，却拥有惊人相似的运转原理。这些规律性的知识是人们认识世界的强有力工具。明白了热力环流原理，就可以解释热气球的运行，孔明灯的放飞，暖气片为什么装在地面，制冷的空调为何装在高处，甚至气候成因等一系列现象。

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