一篇图文并茂的好文（更新中）

huangyi

认  识  天  空 [转自滑翔中国-昆明]
DENNIS PAGEN  著    Dandy（昆明） 译


认识天空　第一章（1）

第一章 我们周围的空气
      我们生活在由维持生命的混合气体包围的行星上。我们把这种混合气体以及其它所知气体通称为大气。
多数人在呼吸空气或是穿过它时，往往忽略了它的存在。但如果给我们一付翅膀，你就能感受一个全新的世界。新的挑战，新的景观，新的感受改变了我们的看法。作为飞行员，我们有了一个需要探索的空中王国。
      我们很快意识到大气中不断发生的变化，并想知道这种变化对我们意味着什么。弄清了为什么，我们才能飞得舒适、无惧、自在、超凡脱俗。
      本章我们开始学习天空的自然本质，以便我们在空中时预见其行为，在风中把握我们的命运。
宏观
      大气因重力而束缚于地球外围，由于重力对空气分子的向下作用，绝大多数空气被束缚于地球表面。但因空气的可压缩性，大气层最外围可延伸至距地表500英里（800公里）处。事实上，整个一半的大气总重，超过5.6千万亿（5.6×1015）吨的气体，位于18000英尺（5500米）以下。
      大气根据其性质不同可分为多层，就像洋葱一样。我们感兴趣的是最下面的一层，即对流层。就在这一层，发生了我们称之为气候的空气变化，就在这一层，我们生存、呼吸、飞行。
      在地球的两极，对流层有5～6英里（7～9公里）厚，在赤道地区有10～12英里（17～20公里）厚度。之所以产生这样的不同，是由于地球的高速自转所产生的离心力（见图1）。为了明了起见，图1中大气层的延伸被夸大了。实际的看，如果整个大气层相当于一个橙子皮那么厚，那么对流层就相当于一层苹果皮。
      对流层上面是平流层，对流层和平流层之间有一个付平流层。我们区分这两个层的依据是：在对流层，随着高度的增加，空气温度稳定递减。在平流层，平流层气体温度几乎是稳定不变的。鉴于平流层清晰稳定，而对流层存在着云以及各种情况，对流层是本书讨论的重点。

图1————低层大气
STROPOSPHERE    平流层            TROPOSPHERE    对流层
TROPOPAUSE      副平流层            SEA  LEVEL      海平面
EARTH          地球               
AVERAGE TEMPERATVRE AT ALTITUDE F º（C º）  不同海拔平均温度F º（C º）

huangyi

认识天空　第一章（2）

空气的构成
      我们知道空气是气体混合物。主要包括氮（78％）氧（21％）和1％的氩以及二氧化碳，其中混杂着一些废弃物。
水蒸气是空气中的高变成份。重比可以从0（干空气）到4-5％（标准空气）。随后我们将看到，没有水蒸气就没有云和雨，因此，水蒸气在天气变化中扮演了重要角色。垂直上升气流极限高度在对流层，从地表蒸发出的水蒸气是由上升气流带入空气的，因此几乎所有水蒸气都集中在对流层。百分之九十的水蒸气停留在18000英尺以下。上面提到的废弃物杂质（包括烟、尘埃、无机盐颗粒和工业废汽）也很重要，因为它们在云的形成过程中起到凝结核的作用。我们对天空中的云最感兴趣，因为它能指导我们如何在空中上升，并能提供大气行为的线索（见第三章）。云和废物通常能明显提示有关飞行中的一些问题。
空气的性质
      空气看不见摸不着，但它的稀薄程度取决于它的密度。我们早就知道空气可被压缩，因此，它的密度取决于它的状态和压力。由于其密度直接影响我们的飞行，所以我们对密度很感兴趣。
      三项决定空气密度的因素是：温度、压力、水蒸气组成。两个对此三项因素起影响作用的是：重力和日照加热。在研究此二项作用之前，让我们先回顾气体的行为。
      气体分子就像巧克力晚餐会上过分活跃的孩子上下蹦跳，这就使得分之间相互碰撞并随机反弹。如果此时一气体分子碰到液体，在碰撞是就能把能量传递给液体。事实上，这种能量传递就是我们所说的加热。气体分子越活跃（能量越大），它能活动的范围就越大，与液体碰撞传递的能量也越大，即这种气体热量越大。我们熟知的温度，就是显示气体分子活跃程度的。
      不难想像，如果我们给气体加入能量，我们就使它的分子活力大增，它的温度将随之升高，此时每一个疯狂的分子会把它的邻居（分子）撞得很远，气体也趋向于膨胀。我们也可以看到，如果我们让一固定量气体膨胀，气体分子将溢出（原体积），那么在相同体积内能碰撞临近分子或液体分子数就减少了，气体的密度和温度也就降低了。反过来，如果我们给一定量气体加压，由于其分子振动加剧，其密度增大，温度升高（见图2）。我们对这些性质要充分了解，因为它对高级飞行很有用。

图2————空气的性质
NORMAL ATMOSPHERE      常压下气体
COMPRESSED　　　压缩
—PATHS SHORTER,MORE FREQUENT RICOCHETS
分子间距缩短，反弹（碰撞）频率增加
EXPANDED　　膨胀
—PATHS LONGER LESS FREQUENT RICOCHETS
分子间距拉长，反弹（碰撞）频率降低
WARMER    较热
COOLE      较冷

huangyi

认识天空　第一章（3）

　　大气的测量
　　我们日常生活是在很大的大气压力下进行的。事实上，在海平面我们的身体要承受14.7镑/英寸2（1.03ｋｇ/ｃｍ2）的压强。对于成年人的平均体表来说，那可是200吨的总压力啊！当然，大气对人体内外的压力都一样大（平衡），我们的躯体只是一个有硬壳的水球而已，因此，我们感觉不到大气的压力，除非它产生突然的变化。
　　我们可以简单把大气压力理解为压在我们上面的空气的重量。此重量就是如前所述的加在此团空气上的重力。在海平面上，空气比重为0.076磅/英尺3（1.22ｋｇ/ｍ3），也就是一个中等大小卧室（20*10英尺地平面）拥有超过120ｌｂｓ的空气。
　　当我们考虑到大气层的厚度，就不难想像大洋底部有多大的压力。
　　由于低海拔时有更多的空气压在我们顶上，因此低海拔地区气压更大。反之，我们在得越高，气压越小。我们也能看出高气压时空气密度较大，因为此时大的重量压在空气分子上使气体压缩。
　　我们用气压表来测量空气压力。气压表是一个抽出一部分空气形成部分真空的软囊。外界压力改变（空气重量改变）时，囊壁相应随之里外运动，一个适当的联动装置使指针转动，因而读出气压（见图3）。另外一种气压表是用一支充满水银的试管，倒置，试管底部形成真空。试管里水银面上下移动就测出气压的变化。英语国家天气预报中气压用英寸汞柱表示。其他地区用兆帕表示（1兆帕＝1000达因/ｃｍ2）。

图3————气压表
DILA    　　　　　　　读数　　　　　MECHANICAL  LINKAGE  机械联接
SEALED  CHAMBER　 封团气囊  　ANEROID  BAROMETER 　　无液气压计
VACUUM              真空    　　 SCALE  　　　　　　　　　标尺
GLASS  TUBE        玻璃试管      MERCURY    　　　　　　水银
MERCURY  RECERVOIR 　　　　　    汞槽
MERCURY  BAROMETER　　　　　水银气压表

huangyi

认识天空　第一章（4）

　　　　飞行用的高度表无非是敏感的气压表。当我们上升时它感知气压下降，下降时感知气压升高。许多运动用高度表能测出一英尺的高度变化时的气压不同，在海平面，那就是0.03兆帕或0.001英寸汞柱。
　　这里小结一下几个重点：
　　当空气上升时，它的气压变化小，是因为压在上面的空气变少，于是它膨胀，变冷，密度降低。反之空气下沉，气压增大，气体压缩，升温，密度增大（见图4）。

图4————空气的膨胀
EXPANDED,COOLER AND LESS DENSE  膨胀，变冷，密度降低
CONTRACTED WARMER AND DENSER　压缩，变热，密度增加
LESS PRESSURE  气压降低        MORE PRESSURE　　　气压升高

huangyi

认识天空　第一章（5）

　　空气的温度
　　我们对上面讲道的冷空气密度小和热空气密度大的概念并不习惯。但是，正是由于气体压缩或膨胀引起了温度的变化。当仅仅通过压缩或膨胀使气体温度发生改变，而外界没有对其进行热量上的加或减———这就是绝热过程。一般来说，热量上升，聚集，就形成峰值。在下一章中我们就要探讨和运用这种情形。
　　地表附近的空气并非被阳光直接加热。由于热量来自于外部，这是一个非绝热过程。大气运动的根源是太阳照射，因为空气吸收外部热量并膨胀，密度变小，同时空气表层冷却，密度增大，通常，空气从冷的区域流向热的区域。
　　太阳辐射并非从上而下加热空气，而是穿过空气加热地表，地表反过来从下而上再加热空气。
　　我们用摄氏（Ｃ）华氏（Ｆ）双读数温度表来测量热量变化。水在0ºＣ或32ºＦ结冰，在100ºＣ或212ºＦ沸腾。两种温度换算公式为9/5ºＣ+32＝ºＦ。为避免地面热量的直接影响及其他因素影响，标准温度测定应把温度表放在离地1.25～2.0米（3　3/4～6英尺）的草地上方，温度计应用通风白色盒子罩住并放置在背阴处。只有这样才能测出准确的空气温度。
　　太阳加热　　多数的太阳辐射穿过空气照射到地面。根据空气中水蒸气含量及污染物不同，太阳辐射一天中只能把空气直接加热升温0.5～1ºＦ。很多太阳辐射被云层反射回太空或吸收掉。反射的多少取决于有多少云。只有约43％的太阳辐射真正到达地面（见图5）。
　　
图5————太阳加热
SUN          太阳        TOP OF ATMOSPHERE　　　大气层顶端
UP        　  向上        SCATTERED 　　　　　　　散射
DOWN 　　　　向下      DIRECT RADIATION TO EARTH 　　直接射到地面
REFLECTED  反射      CLOUD　　　　　　　　　云
ABSORBED IN AIR　　　　被空气吸收

huangyi

认识天空　第一章（6）

这些太阳辐射的最终去向取决于其在近地遇到什么。朝南的斜坡比平地和朝北的斜坡吸热多。凹形地区比平地和凸形地区吸热少。沙漠反射掉20％的射入辐射，树林和草地反射绿光波长范围的光。雪地和冰反射40～90％的辐射。深色表面，例如停车点，新犁过的地只反射10～15％的辐射，根据入射角度的不同，水在被直射时反射掉2％，太阳在地平线附近时，水就反射掉近35％辐射。
所有被地球吸收的太阳辐射最后都变成热能用于加热。其中一部分通过传热的方式直接加热地表空气，一部分以热气流、气泡的方式形成上升扩散热气流加热低层大气，还有一部分把水蒸发成水蒸气，继而进入大气，凝聚成云时把热量释放入大气。
地表的特性如何，直接影响着热能是被吸收或转而进入空气。例如：沙漠浅层会被很快直接加热升温，而水则让太阳辐射穿透很深而表层温度并无明显升高。一般来说，地表越热，其上层空气温度越高。很显然，同样的辐射下，地表的不同，其加热程度也大有差别。我们将在第四章详细讨论这个特性，因其对热量转换过程非常重要。现在让我们来记录昼夜的日照变化，它使得大气升、降温，这也是气候及翱翔条件的能量源泉。
冷却循环
低层大气能在被太阳辐射加热地面时加热升温，同时也能被冷却降温。太阳降落后，地面热能以红外线的方式辐射进入空中。这种辐射在干燥空气中很快穿过，很少被吸收。渐渐的，地面在一个晚上直接的冷却下来继而其上面空气也冷却下来。如果晚上刮风，空气混合物把多余的热量带到高处，因而它的温度就不会降得象地表么低。如果晚上有云或雾，一部分（红外）辐射就会被散射，其中一部分射回地面，这样就减慢了冷却过程。这就是为何晴朗的晚上才会形成露珠或霜冻。这也是沙漠地区晚上奇冷的原因。夜间空气和地面热量变化如图6所示。

图6————热辐射（红外线）
CONVECTION AND CONDUCTION FROM AIR NEAR SURFACE
从近地空气中对流和热传递
CONDENSATION OF DEW  露珠的凝聚形成  
NET RADIATION TO SPACE AND UPPER ATMOSPHERE
呈网状射到空中和大气的辐射
ABSORBSION BY CLODS AND ATMOSPHERE　　　　被大气和云吸收
REFLECTION FROM CLOUDS      从云反射下来
NIGHTTIME SURFACE HEAT EXCHANGE    夜间地表热转换

huangyi

认识天空　第一章（7）

昼夜转换
无论是寻找滑翔场地或气流，昼夜日照变化规律对飞行员来说都是一个很重要的概念。要了解此规律，我们必须注意观察从早晨日头升起，到中午日照当顶，直至日落西沉进入地平线的整个过程日照对（空气）的影响。
一旦入射辐射多于往外的辐射，地表就被加热。往外的辐射变化直接取决于地表温度，因此日照加热达到最大值是在往外辐射达到最高值以前，而且地表温度最高时约在中午3:00左右，如图7所示。这也是通常热气流最强时。

图7————地表热循环
INCREASING HEAT  热量（温度）上升
NET INCOMING RADIATION　　网状入射辐射
MAXIMUM SURFACE TEMPERATURE　　最高地表温度
NET OUTGOING RADIATION AND SURFACE TEMPERATURE　
网状往外的辐射和地表温度
HOURS OF THE DAY 　　一天中不同时段

huangyi

认识天空　第一章（8）

季节性变化
图８中我们看到日出的季节性变化。一天中峰值温度（最高温度）还是在中午（当地太阳时间），但冬至时峰值最低（此日太阳离得最远），夏至峰值最高（此日太阳最近）。春分时是太阳经过赤道上空，自然此时是赤道地区的峰值。要注意在这些不同加热循环中，最大地表温度和产热使得最大日照强度有一个延滞。见图7。

图8————季节性（日照）加热变化
HEAT RECEIVEO BY    热量被。。。。。。吸收
EAST FACING SLOPE    朝东斜坡
HORIZONTAL SURFACE    地平线表面
WEST FACING SLOPE    朝西斜坡
WINTER SOLSTICE    冬至
EQUINOX    春分
SUMMER SOLSTICE    夏至
LOCAL SUN HOURS    当地日照时间（小时）
INCREASING HEAT    (温度)热量增加

huangyi

认识天空　第一章（9）

　　从这些图中看，一个很重要的注意事项是不同面向斜坡的加热不同。例如：春分时朝东的斜坡在早上8:00和地平线表面中午，以及西向斜坡下午4:00时所接受的热量相同。
　　导致日照量季节差异的原因有两方面：地球绕太阳公转的同时自转所围绕的自转轴线因公转而倾斜的角度在变化。另外，还有公转的椭圆轨道所造成的距日差别。这些在图9中给予了描述。我们可以看到地球北半球倾斜远离太阳时，太阳垂直照射量少，日照时间短，与此同时，南半球是夏季，垂直照射多，日照时间长。
　　（公转）轨道的另一面，北半球变成夏季南半球变成冬季。在图中可以看到，富有戏剧性的是，北半球倾斜远离太阳时，地球在公转轨道上离太阳最近。当北半球倾斜朝向太阳时，地球在其公转轨道上却处于远日点。这样自然地形成冬天不太冷，夏天不至于热死。已经证明地球更新世冰期并非如此巧妙安排。

图9————轨道运转日照变化
WINTER    冬天　　SUMMER    夏天　　EARTH    地球　
SUN    太阳　　　　　NORTHERN HEMISPHERE  　　　北半球
SOUTHERN HEMISPHERE    南半球　　　　　　3-D VIEW    三维透视

huangyi

认识天空　第一章（10）

　　相反的情况出现在南半球：太阳夏天离得近冬天离得远。这势必带给南半球的飞行员一个恶劣的天气，除非有比陆地大得多的海洋面积来调节气温。所幸的是南纬38０线以南居住的人很少，因此避开了最恶劣的冬天气候。
　　所有这些季节性变化所带来的普遍规律对飞行员是很重要的：
　　×冬天---冷，空气密度大，风大，气流稳定。
　　×春天---冷的不稳定气流前沿带来环境的多变，热气流大。
　　×夏天---潮湿，在湿地对流少，但沙漠中由于加热集中有好的热气流。
　　×秋天---在北方冷空气前沿已到，气流不太稳定，对流强。
　　水蒸气
　　水，由于其作为水蒸气和云的广泛分布，它广泛地随时随刻影响着气候。据估计飘过陆地的水蒸气量是所有河流运水量的6倍多！即使是最小的一场雨也有成千上万吨水量，象俄勒冈州那么大面积的地区上1英寸降雨相当于8百万吨水量。所有这些水蒸气和雨来自于从敞开水面蒸发和植物蒸腾作用。
　　水蒸气是气态的水，而云是由水蒸气凝聚而成的小水滴的聚合。水蒸气冷却到冷凝点以下就形成云，这个冷凝点称为露点，用温度表示。一团特定气体的露点取决于它的相对温度。
　　湿度
　　绝对湿度　是指一定体积空气中水蒸气量。常用磅/1000立方英尺或克/ｍ３。根据蒸发情况及温度分布不同，绝对湿度变化从一处10000到另一处40不等。
　　相对湿度　是指一定温度下气体中水蒸气所占百分比（体积百分比）。相对湿度用百分比表示变化范围，从干热空气的近乎0到饱和水蒸气的100％。
　　我们必须明白热空气较冷空气更能容纳水蒸气，其结果就是同样绝对湿度的热空气相对湿度比冷空气小。基于此原理，我们可以通过冷却一定量空气来增加其相对湿度。如果空气冷却足够使之相对湿度接近100％或饱和状态，云就形成了。这个饱和状态的温度就是前面定义过的露点。我们将在第三章深入研究云的形成过程。现在我们所知道的最普遍的大气中冷却空气的方法就是使之上升从而膨胀冷却。
　　冬天的冷空气总是比夏天更接近饱和，因为它能容纳的水蒸气少。这一现实对飞行员来说并不是什么好事，因为这意味着多云，多降水以及由于无须升得很高就冷却至饱和而带来的低高度云层。冬季当我们加热这样的冷空气并把它带进屋里，我们就降低了它们的相对湿度，人体就释放水分到空气中，使我们感觉冬天好像干燥。相对湿度而非绝对湿度就是由此而来。
水有趣的特性
　　水在不同状态……固态、液态、气态的独特性质，使其在我们认识气候的过程中占有一独特位置（见图10）。首先，水具有高热容量，这就是说它很能吸收和族贮存热能。水能吸收所有它能得到的太阳辐射而自身温度升高并不大。自然白天水的温度就比陆地低而晚上陆地快速释放所贮存热量时，水又比陆地温暖。在晚上，水面上的空气被水缓慢释放的热能所加热而导致不稳定和对流。水所贮热能会加热冬天飘过水面的冷空气而形成“湖面热气”，这就是我们在第四章要探讨的主题。
图10————水的特性
SUNSHINE 　　日照    LITTLE RISE IN TEMPERATURE　　　温度上升小
ICE            冰　　　
WHTER EXPANDS WHEN IT FREEZES AND BECOMES LESS DENSE .ICE FLOATS
水在结冰时体积膨胀，密度降低
WATER VAPOR IS LIGHTER THAN AIR AT THE SAME TEMPERATURE  
同样温度下水蒸气比空气轻（比重小）
AIR          空气
CONDENSING WATER VAPOR GIVES UP LATENT HEAT
水蒸气凝聚时释放出潜热
CLOUD        云
EVAPORATING WATER TAKES IN LATENT HEA
水蒸发时吸进潜热