陳 鋒

（德清縣高級中學(xué), 浙江 湖州 313200）

圖解“熱力環(huán)流”教學(xué)中的常見悖論

陳 鋒

（德清縣高級中學(xué), 浙江 湖州 313200）

《普通高中地理課程標(biāo)準(zhǔn)(實(shí)驗(yàn))解讀》認(rèn)為，大氣的不均勻受熱是大氣運(yùn)動的主要原因，大氣熱力環(huán)流則是理解許多大氣運(yùn)動類型的理論基礎(chǔ)。小到城市熱島環(huán)流，大到全球性大氣環(huán)流，都可以用大氣熱力環(huán)流的原理來解釋。

因此，熱力環(huán)流在大氣環(huán)境部分有著極其重要的作用。但筆者發(fā)現(xiàn)，因認(rèn)知上的偏差，關(guān)于熱力環(huán)流的內(nèi)涵、外延，還存在著不少的錯(cuò)誤觀點(diǎn)及論斷，且這種錯(cuò)誤觀點(diǎn)及論斷還能自圓其說，形成悖論。本文通過理論分析、實(shí)踐探究來剖析并糾正熱力環(huán)流的內(nèi)涵及外延在教學(xué)中的常見悖論。

一、理論分析把握熱力環(huán)流內(nèi)涵

在開展熱力環(huán)流的教學(xué)過程中，教師一般先講近地面受熱不均，緊跟著描述空氣的垂直運(yùn)動，然后再講同一水平面上出現(xiàn)氣壓高低差異，最后是空氣的水平運(yùn)動。然而，空氣在做垂直運(yùn)動的過程中，關(guān)于近地面有沒有產(chǎn)生氣壓的變化，莫衷一是。

悖論1：密閉空氣柱內(nèi)的垂直運(yùn)動不影響氣壓變化

支撐理由：根據(jù)周淑貞關(guān)于氣壓的定義——單位面積上大氣柱的重量。假設(shè)一理想密閉的大氣柱，既沒有空氣流入，也沒有空氣流出，空氣只做垂直運(yùn)動。在運(yùn)動過程中，大氣柱內(nèi)部并沒有發(fā)生質(zhì)量的改變，因此，大氣柱底部即近地面位置上的氣壓并沒有發(fā)生變化。

剖析：產(chǎn)生這種論斷的根本原因在于對氣壓概念理解上的偏差。周淑貞對氣壓定義時(shí)有一個(gè)重要的條件，假設(shè)大氣相對于地面而言處于靜止?fàn)顟B(tài)，則某點(diǎn)氣壓值等于該點(diǎn)單位面積上所受鉛直氣柱的重量。換句話講，地理學(xué)界關(guān)于氣壓的定義只適用于靜止的大氣。那么，運(yùn)動中的氣壓該如何理解呢？高中物理對氣壓進(jìn)行了熱力學(xué)上的定義，認(rèn)為氣壓的實(shí)質(zhì)是由于氣體分子的熱運(yùn)動，熱運(yùn)動導(dǎo)致氣體分子對物體表面撞擊而產(chǎn)生了力。重力只是導(dǎo)致氣體分子分布在豎直方向上并按指數(shù)規(guī)律遞減，一般認(rèn)為這是氣壓產(chǎn)生的外因?？諝庵鶅?nèi)的上升運(yùn)動，會使近地面附近的氣體分子減少，進(jìn)而使氣體分子撞擊近地面附近空氣柱表面的概率減少，最終使氣壓減小。

結(jié)論：即使在密閉空氣柱內(nèi)，垂直運(yùn)動會影響氣壓的變化，上升運(yùn)動會使近地面氣壓減小，下沉運(yùn)動會使近地面氣壓增大。當(dāng)然，密閉空氣柱這樣的假設(shè)也毫無現(xiàn)實(shí)意義，地球的大氣是開放的、流動的。

必須承認(rèn)，熱力環(huán)流的過程中垂直運(yùn)動先發(fā)生，而后發(fā)生水平運(yùn)動。但水平運(yùn)動是否存在高空先、近地面后的順序，也是眾說紛紜。

①

②

悖論2：高空的大氣水平運(yùn)動早于近地面的大氣水平運(yùn)動（如圖①、②所示）

支撐理由：①來自人教版及中圖版高中地理必修I中關(guān)于“熱力環(huán)流”過程的描述：空氣受熱膨脹上升和冷卻下沉，首先引起的是高空的氣壓出現(xiàn)高低差異，導(dǎo)致高空的空氣由高氣壓區(qū)向低氣壓區(qū)運(yùn)動；高空的空氣出現(xiàn)水平運(yùn)動之后，近地面才出現(xiàn)氣壓的高低差異，近地面也隨之出現(xiàn)水平運(yùn)動。②來自生活的觀察經(jīng)驗(yàn)。如煙囪排放煙霧的擴(kuò)散過程。

剖析：產(chǎn)生這種論斷的原因在于對“熱力環(huán)流”的形成過程的人為割裂及思維定勢。據(jù)筆者觀察發(fā)現(xiàn)，所有現(xiàn)行的及以前的教材在“熱力環(huán)流”部分的示意圖都將中間部分的近地面標(biāo)識為“熱”，因思維習(xí)慣的原因或者表達(dá)順序的需要，在“熱力環(huán)流”形成過程中率先闡述熱空氣部分，且在行文過程中亦是熱空氣部分文字占先。這就給人造成了一種錯(cuò)覺，認(rèn)為“熱力環(huán)流”的過程中高空及近地面大氣的水平運(yùn)動存在先后。其實(shí)，這并不是教材的側(cè)重點(diǎn)，只是在表述的時(shí)候必須得有先后的需要而已。的確，在生活中，我們也看到了熱空氣上升然后水平方向擴(kuò)散的過程，如煙囪的煙霧。而事實(shí)上，我們的眼睛欺騙了我們，我們看到的是高空煙霧的擴(kuò)散，而沒有看到近地面無形的空氣的流動！

近地面的空氣畢竟不是密閉的，同一水平面上氣壓的變化，勢必立即引起空氣的水平運(yùn)動。須知，熱力環(huán)流是一整體的、動態(tài)的過程。

結(jié)論：高空的大氣水平運(yùn)動與近地面的大氣水平運(yùn)動同時(shí)進(jìn)行，不分先后。高空的大氣水平運(yùn)動與近地面大氣的水平運(yùn)動的先后順序不是現(xiàn)行四種版本教材所要真正表達(dá)的，教材真正要傳遞的是“地面冷熱不均→空氣的垂直運(yùn)動→同一水平面出現(xiàn)氣壓高低差異→空氣的水平運(yùn)動”的思維鏈。

悖論3：熱力環(huán)流中，溫度與氣壓成正比

支撐理由：物理學(xué)中理想氣體的狀態(tài)方程PV/T=k（P為氣壓，V為體積，T為溫度，k為常數(shù)）。一般認(rèn)為，在大氣圈中存在著如下關(guān)系（固定的空氣顆粒數(shù)量的前提下，體積與密度成反比）。

T：溫度P：氣壓D：密度當(dāng)T↑則P↑則D↓當(dāng)T↓則P↓則D↑↑：升高↓：下降

一方面，在大氣圈中，固定體積內(nèi)的空氣顆粒數(shù)量是一樣的，那么，溫度和氣壓成正比。另一方面，如果一個(gè)氣團(tuán)在保持一定氣壓的情況下，溫度和密度之間則是反比例關(guān)系。

剖析：在大多數(shù)的大氣交互作用中，密度和氣壓是不斷變化的，因此，大氣中溫度、氣壓和密度之間又有另一種變化關(guān)系。在對流層中，隨著高度的增加，溫度和密度都將降低。如果密度隨著高度的增加而降低，并且溫度是和密度成反比例變化的，那么溫度又怎會隨著高度增加而降低呢？問題就在于溫度會隨著氣壓和密度兩者的變化而發(fā)生變化。在這種情況下，溫度是和氣壓與密度的比率成正比，因而隨高度增加而降低。

地球大氣層密度的變化是由于地球引力的不同，地球大氣層溫度的變化是由于大氣特殊的受熱過程所致。因此，在垂直方向上，始終遵循氣溫與氣壓的正比關(guān)系；在水平方向上，近地面由于空氣受熱上升，氣壓降低，因此氣溫與氣壓成反比；在水平方向上的高空，氣溫與氣壓一致；在水平方向上的非近地面、非高空的某一位置，氣溫與氣壓關(guān)系不明。

結(jié)論：垂直方向上，溫度與氣壓成正比；水平方向上，且位于近地面，溫度與氣壓成反比；水平方向上，且位于高空，溫度與氣壓成正比。當(dāng)然，在由近地面向高空的遞變過程中，氣溫與氣壓關(guān)系不明。

二、實(shí)踐探究明晰熱力環(huán)流外延

悖論4：熱力環(huán)流中的所有運(yùn)動環(huán)節(jié)都是熱力作用形成的

支撐理由：熱力環(huán)流由熱力作用形成，不存在動力作用。

剖析：此處以實(shí)驗(yàn)來說明。筆者曾做過一個(gè)簡單而有趣的實(shí)驗(yàn)。在炎熱的夏季，除教室前門外，教室的其他門窗全部關(guān)閉，教室內(nèi)開著空調(diào)，整個(gè)教室空間內(nèi)的氣溫低于教室外氣溫。筆者拿著一張餐巾紙，在門的不同高度位置讓學(xué)生觀察餐巾紙的飄動方向。觀察發(fā)現(xiàn)：在低處，空氣往室外流，在高處，空氣往室內(nèi)流。