地球大氣為什麼能夠環流,原因不僅僅是地球自轉引起的

圖一 風暴

有太陽光的原因，有地球自轉的原因，也有地球水陸分布的原因，而把這些種種因素聯繫起來的是熱力學第零定律。

一、什麼是熱力學第零定律？

熱力學第零定律（Zeroth Law of Thermodynamics），指如果兩個熱力學系統中的每一個都與第三個熱力學系統處於熱平衡(溫度相同)，則它們彼此也必定處於熱平衡。

熱平衡方程：Q放=Q吸。

熱力學第零定律揭示了世上一切東西都趨於溫度一致發展。

圖二、颱風

二、基於熱力學第零定律的冷熱空氣對流形成了大氣環流。

先舉一個日常的例子，一缸熱水浴洗著洗著就變涼了，於是你提來一壺100℃的開水從浴缸的一頭倒了進去，然後熱水猛衝進浴缸裡後，會慢慢往上層流動，原來的冷水會從下層對流，這就形成了水環流，目的是為了讓水溫達到新的熱平衡。

大氣環流也是這個原理，倒的哪壺熱水就是太陽光。由於地球旋轉軸傾斜的原因，太陽光只會直射赤道附近，在南北溫差線間徘徊。相當於一直使勁地往這個位置倒熱水。

大氣受到太陽光的加熱不均，大範圍來說，赤道熱兩極冷，就會在赤道與極地分別形成熱空氣與冷空氣。冷空氣重就會下沉，熱空氣輕就會上升。而它們之間的這個溫度差就是導致大氣環流的根本原因。

下圖（圖三）為大氣的循環方式。

圖三 大氣循環方式

赤道那一團雲代表了赤道雲帶，這是由於太陽加熱赤道的海洋與陸地，溫潤潮溼的水汽隨著低壓空氣上升形成的。而在兩極空氣乾冷下沉，形成一個降水很小的高壓區，稱為極低高壓區。

赤道和極地的空氣往中維度區域對流，因為有溫差，冷熱大軍交匯就會出現降雨、降雪、熱帶風暴等等天氣現象，整體上形成大氣環流。

圖四、大氣環流（白色）

三、氣候終結者：噴射氣流

除了大的冷熱循環，大氣中的風向就與地球的自轉有關係了。其中最有特點的就是噴射氣流。

1935年3月15日，世界環球飛行記錄保持者威利波斯特從加利福尼亞的伯班克起飛，開始了他又一輪的世界記錄挑戰，只是這一次他不是挑戰飛行速度，而是飛行高度。

當他飛到10公裡的高空時，第一次發現了一股非常奇怪的氣流，雖然他的飛機只有170邁，但他的地面速度卻是這個速度兩倍，這是人類第一次發現噴射氣流。

噴射氣流是低壓的溫潤熱帶空氣與高壓的寒冷寒帶空氣交匯形成的產物，而由於地球自轉的原因，它總是吹向東方。

圖五 噴射氣流

噴射氣流有兩種，一種是環繞極地的極地噴射氣流，一種是環繞亞熱帶的亞熱帶噴射氣流。而亞熱帶噴射氣流環繞的區域也叫做亞熱帶無風帶，也就是南北緯30°的地方。

噴射氣流就像是一個橡皮檫，可以直接把一切氣候抹除，所以在（圖三）中你會看見大氣循環斷成了幾個小循環。而南北亞熱帶無風帶到兩極之間的區域是天氣系統最為複雜的區域（∞形狀的區域）。

圖六 雲層

四、大氣環流中的「蝴蝶效應」

大氣環流會引發許多奇異的氣候現象，其中最有名的可能就是「蝴蝶效應」了。

在中國的一隻蝴蝶扇動幾下翅膀，就可以引起美國南卡羅來納洲的一場風暴，這是蝴蝶效應（The Butterfly Effect）要表達的本意。

由美國氣象學家愛德華·羅倫茲（Edward N.Lorenz）1963年在一篇提交給紐約科學院的論文中做出了詳細的介紹與分析。

蝴蝶效應看似很玄奧，實際是很正常的自然現象。就像在浴缸裡，你不經意的一個小腳趾運動，可能就會製造一條長長的足以影響冷熱水混合進度的水波。

而地球上的基於大氣環流的各種天氣系統，最終目的都是試圖使赤道與兩極之間的溫差平衡。

「蝴蝶效應」常被解讀為生活中一些小細節、小意外，可能導致意想不到的嚴重結果，但其實這只是解讀了「蝴蝶效應」寓意的一半。而更深層的含義是在系統的終極目的面前，任何的小動作其實都是徒勞無益的。

蝴蝶效應的風暴，只是為了地球溫差平衡的一種結果，或早或晚都會發生，或者以另一種形式出現，但地球熱平衡的終極目的無法打破。

圖七 蝴蝶效應

五、總結

大氣環流就是大氣的循環，而我們地球之所以能適應生命生存及進化，就是因為有各種完備的循環系統，除了大氣，連巖石也是在循環。

大氣的循環與海洋的循環更是密不可分，最明顯的就是我們熟悉的厄爾尼諾現象，和與之對應的拉尼娜現象。

而所有的一切都是基於我們生活在一個熱平衡的宇宙之中。