在家裡就能造出龍捲風——你信嗎？
6月23日下午，江蘇蘇北地區鹽城阜寧縣突遭強冰雹、龍捲風雙重災害襲擊，傷亡巨大，損失慘重。23日22時，國家民政部發布消息，據初步統計，強對流天氣造成因災死亡78人，因災受傷近500人，其中重傷近200人，受災地區房屋倒損數量較多，電力通信設施被破壞，部分地區電力中斷，通信基站無信號。
此次災害中最令大家畏懼的恐怕就是「龍捲風」這個名詞。
這個在歐美災難大片中才能見到的景象到底是怎樣形成的？有多大威力？其實，我們每天在家裡都能見到「龍捲風」相似的原理，只不過我們並不認識它而已。
龍捲風是什麼？
從物理學本質上講，龍捲風其實是渦旋的一種。
所謂「渦旋」，英文翻譯為vortex，是流體團的旋轉運動，一般我們可以通俗的理解為「渦」。
空氣動力學家形象的將其描述為「流體運動的肌腱」，北京航空航天大學陸士嘉教授更簡明地解釋為：「流體的本質就是渦，因為流體經不住搓，一搓就搓出了渦。」
這裡的「搓」，是指作用在流體上的剪切力。比如飛機、船艦、汽車、火車等物體在空氣中運動，緊貼在物面上的空氣由於黏附在物面上，會被物體帶著一起運動，而遠處的流體卻在靜止中，這就產生了對流體發生「搓」的剪切力。
飛機尾部「搓」出的氣流渦旋
龍捲風就是大自然中眾多渦旋的一種，常見的渦旋包括：
渦旋星系：宇宙空間的渦旋星系，是大自然中尺度最大的渦旋，其尺度是「光年」。
2013年美國宇航局（NASA）利用哈勃望遠鏡拍攝的旋渦星系NGC6984
颱風、颶風、熱帶風暴、熱帶氣旋
在氣象預報的衛星雲圖上，我們經常可以看到由大團白雲顯示的旋轉大尺度流體渦旋，其半徑可達數百公里。
2003年，美國Terra衛星捕獲到的Kate颶風照片
拍攝時Kate颶風持續風速為115英里/小時，以12英里/小時的速度向西移動
龍捲風
按照氣象學的定義：龍捲風是一種強烈的、小範圍的空氣渦旋，是在強烈不穩定天氣條件下，由空氣強烈對流運動產生的，通常是由雷暴雲伸展至地面的漏斗雲產生的強烈旋風。龍捲中心氣壓很低，中心風力可達每秒100—200米以上，具有極大的破壞力。
2008年美國堪薩斯州大草原上空的陸龍捲
2009年美國聖約翰河上出現的水龍捲
其他類似於沙塵暴、海嘯等也都是自然界常見渦旋的表現形式。
2001年美國宇航局衛星在亞洲上拍攝到的沙塵暴渦旋
2011年日本海嘯和地震過後海上形成巨大的漩渦
在日常生活中，我們經常看到的這種現象：在盛滿水的洗手池或者澡盆中，將塞子拔掉，會形成一個漩渦，科學上叫做「澡盆渦」，這就是典型的渦旋現象。
洗手池中的澡盆渦
美國科技館中模擬龍捲風的「澡盆渦」
所以可以說，在家裡的廚房或者浴室里，我們就可以輕鬆地模擬出龍捲風的物理機理。
龍捲風的形成機理
既然知道了龍捲風屬於渦旋的一種，那麼龍捲風是如何形成的呢？
今年4月份，甘肅省酒泉市瓜州縣淵泉小學舉行春季運動會，天氣狀況非常好，但是突然就颳起了旋風，一名9歲男孩瞬間被捲起幾米高，這就是「龍捲風」嗎？
現場畫面
其實，這只是很小尺度的氣流不穩定性造成的，一般我們成為「塵捲風」，類似的還有4月初，北京北海公園也出現過塵捲風，當時還掀翻了幾艘小船。
而龍捲風必須是由中尺度的氣流不穩定性造成的，其平均直徑為200-300米，最小直徑幾十米，最大1000米左右，持續時間一般幾分鐘至十幾分鐘，最多不超過幾小時，移動速度在15米/秒至70米/秒。
龍捲風的形成與強雷暴雲有關，雷暴巨大的能量中的一小部分在很小的區域集中釋放，給龍捲風帶來了能量。同時由於雲層的一部分雲柱向下伸展，並旋轉向下水平輻合，類似於滑冰運動員在旋轉時夾緊手臂，使得旋轉速度越來越快，這種伸展的渦管旋轉速度非常快，形成了漏斗狀的雲，構成了龍捲風的形狀。
滑冰運動員手臂夾緊會提高旋轉速度
具體來說龍捲風形成分為4個階段：
1. 大氣的不穩定性產生強烈的上升氣流，由於急流中的最大過境氣流影響，它被進一步加強。
2. 由於與在垂直方向上速度和方向均有切變的風相互作用，上升氣流在對流層的中部開始旋轉，形成中尺度氣旋。
3. 隨著中尺度氣旋向地面發展和向上伸展，它本身變細並增強。同時，一個小面積的增強輻合，即初生的龍捲在氣旋內部形成，形成龍捲核心。
4. 龍捲核心中的旋轉與氣旋中的不同，它的強度足以使龍捲一直伸展到地面，當發展的渦旋到達地面高度時，地面氣壓急劇下降，地面風俗急劇上升，形成龍捲風。
龍捲風形成機理（圖片來源自《力學與實踐》）
龍捲風中的氣流方向
簡單來說，龍捲風的形成和消失，都是氣流運動不穩定的過程。
遇到龍捲風如何自救？
立刻離開危險房屋、活動場所或其他簡易臨時住處，到附近比較堅固的房屋內躲避。
如在汽車中，應及時離開，到達低洼地躲避，因為汽車本身沒有防禦龍捲風的能力，一旦汽車和人同時被龍捲風捲起，危害更大。
迅速朝龍捲風移動方向的垂直方向跑動，伏於低洼地面、溝渠等，遠離大樹、電線杆、廣告牌、圍牆等，以免被砸、被壓或發生觸電事故。
躲避龍捲風最為安全的地方是位於地下的空間或場所，地面上所有建築物此時都不是最安全的躲避場所。
監製：中國科學院計算機網路信息中心
出品：科普中國
製作：中國科學院力學研究所 老三
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