在家里就能造出龙卷风——你信吗？
6月23日下午，江苏苏北地区盐城阜宁县突遭强冰雹、龙卷风双重灾害袭击，伤亡巨大，损失惨重。23日22时，国家民政部发布消息，据初步统计，强对流天气造成因灾死亡78人，因灾受伤近500人，其中重伤近200人，受灾地区房屋倒损数量较多，电力通信设施被破坏，部分地区电力中断，通信基站无信号。
此次灾害中最令大家畏惧的恐怕就是“龙卷风”这个名词。
这个在欧美灾难大片中才能见到的景象到底是怎样形成的？有多大威力？其实，我们每天在家里都能见到“龙卷风”相似的原理，只不过我们并不认识它而已。
龙卷风是什么？
从物理学本质上讲，龙卷风其实是涡旋的一种。
所谓“涡旋”，英文翻译为vortex，是流体团的旋转运动，一般我们可以通俗的理解为“涡”。
空气动力学家形象的将其描述为“流体运动的肌腱”，北京航空航天大学陆士嘉教授更简明地解释为：“流体的本质就是涡，因为流体经不住搓，一搓就搓出了涡。”
这里的“搓”，是指作用在流体上的剪切力。比如飞机、船舰、汽车、火车等物体在空气中运动，紧贴在物面上的空气由于黏附在物面上，会被物体带着一起运动，而远处的流体却在静止中，这就产生了对流体发生“搓”的剪切力。
飞机尾部“搓”出的气流涡旋
龙卷风就是大自然中众多涡旋的一种，常见的涡旋包括：
涡旋星系：宇宙空间的涡旋星系，是大自然中尺度最大的涡旋，其尺度是“光年”。
2013年美国宇航局（NASA）利用哈勃望远镜拍摄的旋涡星系NGC6984
台风、飓风、热带风暴、热带气旋
在气象预报的卫星云图上，我们经常可以看到由大团白云显示的旋转大尺度流体涡旋，其半径可达数百公里。
2003年，美国Terra卫星捕获到的Kate飓风照片
拍摄时Kate飓风持续风速为115英里/小时，以12英里/小时的速度向西移动
龙卷风
按照气象学的定义：龙卷风是一种强烈的、小范围的空气涡旋，是在强烈不稳定天气条件下，由空气强烈对流运动产生的，通常是由雷暴云伸展至地面的漏斗云产生的强烈旋风。龙卷中心气压很低，中心风力可达每秒100—200米以上，具有极大的破坏力。
2008年美国堪萨斯州大草原上空的陆龙卷
2009年美国圣约翰河上出现的水龙卷
其他类似于沙尘暴、海啸等也都是自然界常见涡旋的表现形式。
2001年美国宇航局卫星在亚洲上拍摄到的沙尘暴涡旋
2011年日本海啸和地震过后海上形成巨大的漩涡
在日常生活中，我们经常看到的这种现象：在盛满水的洗手池或者澡盆中，将塞子拔掉，会形成一个漩涡，科学上叫做“澡盆涡”，这就是典型的涡旋现象。
洗手池中的澡盆涡
美国科技馆中模拟龙卷风的“澡盆涡”
所以可以说，在家里的厨房或者浴室里，我们就可以轻松地模拟出龙卷风的物理机理。
龙卷风的形成机理
既然知道了龙卷风属于涡旋的一种，那么龙卷风是如何形成的呢？
今年4月份，甘肃省酒泉市瓜州县渊泉小学举行春季运动会，天气状况非常好，但是突然就刮起了旋风，一名9岁男孩瞬间被卷起几米高，这就是“龙卷风”吗？
现场画面
其实，这只是很小尺度的气流不稳定性造成的，一般我们成为“尘卷风”，类似的还有4月初，北京北海公园也出现过尘卷风，当时还掀翻了几艘小船。
而龙卷风必须是由中尺度的气流不稳定性造成的，其平均直径为200-300米，最小直径几十米，最大1000米左右，持续时间一般几分钟至十几分钟，最多不超过几小时，移动速度在15米/秒至70米/秒。
龙卷风的形成与强雷暴云有关，雷暴巨大的能量中的一小部分在很小的区域集中释放，给龙卷风带来了能量。同时由于云层的一部分云柱向下伸展，并旋转向下水平辐合，类似于滑冰运动员在旋转时夹紧手臂，使得旋转速度越来越快，这种伸展的涡管旋转速度非常快，形成了漏斗状的云，构成了龙卷风的形状。
滑冰运动员手臂夹紧会提高旋转速度
具体来说龙卷风形成分为4个阶段：
1. 大气的不稳定性产生强烈的上升气流，由于急流中的最大过境气流影响，它被进一步加强。
2. 由于与在垂直方向上速度和方向均有切变的风相互作用，上升气流在对流层的中部开始旋转，形成中尺度气旋。
3. 随着中尺度气旋向地面发展和向上伸展，它本身变细并增强。同时，一个小面积的增强辐合，即初生的龙卷在气旋内部形成，形成龙卷核心。
4. 龙卷核心中的旋转与气旋中的不同，它的强度足以使龙卷一直伸展到地面，当发展的涡旋到达地面高度时，地面气压急剧下降，地面风俗急剧上升，形成龙卷风。
龙卷风形成机理（图片来源自《力学与实践》）
龙卷风中的气流方向
简单来说，龙卷风的形成和消失，都是气流运动不稳定的过程。
遇到龙卷风如何自救？
立刻离开危险房屋、活动场所或其他简易临时住处，到附近比较坚固的房屋内躲避。
如在汽车中，应及时离开，到达低洼地躲避，因为汽车本身没有防御龙卷风的能力，一旦汽车和人同时被龙卷风卷起，危害更大。
迅速朝龙卷风移动方向的垂直方向跑动，伏于低洼地面、沟渠等，远离大树、电线杆、广告牌、围墙等，以免被砸、被压或发生触电事故。
躲避龙卷风最为安全的地方是位于地下的空间或场所，地面上所有建筑物此时都不是最安全的躲避场所。
监制：中国科学院计算机网络信息中心
出品：科普中国
制作：中国科学院力学研究所 老三
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- 发表于 2016-06-24 00:00
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