基督复临安息日会青年荣誉答案手册/自然/天气

天气
自然世界总会另请参见天气 - 高级	技能等级 1
自然世界总会另请参见天气 - 高级	引进年份：1944

内容

天气荣誉是自然学家大师奖的可选组成部分。

1. 解释以下每个现象是如何形成的

a. 雾

相对湿度是衡量空气中水分含量与空气中所能容纳的水分含量之比的指标。随着温度升高，空气中可以容纳更多水分；随着温度下降，空气中可以容纳的水分就会减少。当湿度达到 100% 且温度下降时，空气就无法再容纳空气中所有水分。雾是当温度下降时空气中挤压出来的水分。这种水分，即雾霭，可以被认为是地表附近的云层。

b. 雨

雨是由云层中的水滴分别降落到地球表面而形成的。

要形成降雨，潮湿的空气需要冷却，从而导致水蒸气凝结。这通常是通过迫使空气上升的某种因素来实现的。空气上升的原因是：山丘和山脉（地形抬升）、地球表面不规则导致的机械或摩擦湍流、气压系统碰撞（例如冷锋在较暖的空气下方抬升）、热空气上升（对流）、低压系统，其中存在普遍的向上运动区域。

如果有足够的水分，并且空气上升到足以形成浓密的云层，那么这些因素中的任何一个都可能导致降雨。

c. 露水

露水是水以水滴的形式出现在早晨或傍晚暴露在外的薄物体上。当暴露的表面通过向天空辐射热量而冷却时，大气中的水分以比蒸发速度更快的速度凝结，从而形成水滴。

d. 雪

雪是以结晶水冰形式降落的降水，由许多雪花组成。由于它由细小的粗糙颗粒组成，因此是一种颗粒状物质。它具有开放的结构，因此很软，除非受到外部压力。

雪通常是在水蒸气在大气层较高处以低于 0 °C (32 °F) 的温度发生凝华时形成的。它也可以由落下的冰雾颗粒形成，冰雾是在表面空气中的湿度在极低温度下冻结时形成的。

e. 雨夹雪

在英国和其他英联邦国家，雨夹雪是指在降落到地面时部分融化的雪，因为周围的空气足够温暖，能够在雪降落时部分融化它，但不够温暖，无法将其完全融化成雨。因此，它指的是部分融化的水滴，即雪和雨的混合物。它不会在地面上形成一层，除非地面的温度低于冰点，在这种情况下，它会在表面形成一层危险的无形的冰，被称为“黑冰”。

在美式英语中，雨夹雪是指由微小的冻雨滴或冰粒组成的降水。这经常被误认为是冰雹，但形成方式不同，通常（但并非总是）更小。当雪花从大气中较暖的薄层中穿过时，就会开始融化。如果它们再次穿过靠近地面的较冷的冰点以下的空气层，它们就会重新冻结，形成小冰球。这些冰球在撞击地面时可能会弹跳，并且不会冻结成固体块，除非与冻雨混合。

f. 冰雹

当过冷的水与接触物接触时冻结，冰雹会在凝结核（如尘埃、昆虫或冰晶）上形成。冰雹的大小通常从豌豆大小到高尔夫球大小不等。

g. 霜

如果与空气接触的固体表面冷却到冰点以下，那么冰的结构就会从固体表面生长出来。晶体的大小取决于时间和可利用的水蒸气量。

2. 从天空或图片中识别以下类型的云：卷云、积云、层云、雨云。每种云与什么天气有关联？

卷云
积云
层云
雨云

卷云: 卷云位于最高海拔。它们通常看起来很薄很轻。它们与晴朗天气有关。

积云: 积云通常是蓬松的，并且经常有非常明显的边缘，通常有明显的垂直发展。它们通常呈现出类似爆米花的形状。云层可以相当孤立，也可以成群地聚集在一起。从积云底部降下的第一场雨会蒸发到下面的空气中，使空气冷却——通常降温几度。这种冷却的空气会下降，冷却得越多，下降得越快。因此，我们不仅有雨从云中落下，而且还有空气下降，而不是空气上升到云中。这就是为什么积云与凉爽潮湿的天气有关。

层云: 层云属于一类以水平分层和均匀底面为特征的云，与对流云（高耸或比宽高，称为积云）形成对比。更具体地说，层云一词用于描述低空平坦、无特征的云，颜色从深灰色到近白色不等。这些云本质上是地面以上的雾，是早晨雾气升起或冷空气在低空越过某一地区时形成的。这些云通常不会带来降水，但如果高度足够低形成雾，则可能会出现毛毛雨或薄雾。

雨云: 雨云是黑暗、陡峭的云。Nimbus 是拉丁语，意思是云或暴雨。这些云通常被称为“雷暴云”。

3. 解释水银温度计或酒精温度计、水银气压计、无液气压计和雨量计的工作原理。

酒精温度计

酒精温度计和水银温度计的工作原理相同。“酒精”温度计中的“酒精”是乙醇，乙醇和水银都会随着温度变化而膨胀和收缩。当天气寒冷时，它们会收缩，当天气炎热时，它们会膨胀。可以建造一种温度计来利用和放大这些特性。底部带有灯泡的玻璃管中装满了乙醇。管子可以容纳更多体积的乙醇，因此可以膨胀的乙醇更多。当它膨胀时，它只能进入狭窄的管子。根据膨胀将乙醇发送到管子中的高度来读取温度。

水银气压计

标准水银气压计有一个 76 厘米（30 英寸）高的玻璃柱，一端封闭，底部有一个开放的水银储液器。管子中的水银会调整，直到水银柱的重量平衡了作用在储液器上的大气力。高气压对储液器施加更大的向下力，迫使水银在管中升高。低气压允许水银通过降低作用在储液器上的向下力而在管中下降到较低的位置。

无液气压计

气压计的目的是测量大气重量或空气施加的压力。无液气压计类似于气球，因为它有一个充满空气的腔室。当外部气压增加时，腔室内的气压也会增加。它唯一的解决办法是减小腔室的体积——换句话说，外部气压会压扁腔室。回到气球的类比，气球会变小。当外部气压降低时，腔室内的空气也会降低压力。它唯一的解决办法是膨胀，占用更多体积，使容纳它的腔室变大。在气球的类比中，气球会变大。无液气压计基本上测量的是腔室的厚度。

无液气压计使用一个称为无液腔室的小型柔性金属盒。这个无液腔室由铍铜合金制成。抽空的腔室（通常是多个腔室）通过一个强大的弹簧防止坍塌。外部气压的微小变化会导致腔室膨胀或收缩。这种膨胀和收缩驱动机械杠杆，以使腔室的微小移动被放大并显示在无液气压计的表面上。许多型号都包括一个手动设置的指针，用于标记当前测量值，以便可以观察到变化。此外，该机制被故意做得“僵硬”，因此轻敲气压计可以揭示压力是上升还是下降，因为指针会移动。

雨量计

标准雨量计由一个漏斗连接到一个刻度量筒组成，量筒可以放入一个更大的容器中。如果水从量筒中溢出，外部容器将接住它。因此，在测量时，将测量量筒，然后将多余的水倒入另一个量筒中并测量。在大多数情况下，量筒的刻度为毫米，如上图所示，可以测量高达 25 毫米（0.98 英寸）的降雨量。量筒上的每条水平线代表 0.2 毫米（0.007 英寸）。较大的容器收集从量筒顶部附近的小孔流出的任何超过 25 毫米的降雨量。金属管连接到容器上，并且可以调节以确保雨量计水平。然后，该管子套在一个已插入地面的金属杆上。

4. 为什么山脉的一侧可能下雨，而另一侧却干燥？举例说明您所在的国家或地区。a. 为什么山区比低地更凉爽潮湿？b. 在您所在地区，雨水和晴朗天气通常来自哪个方向？

地形抬升是指当气团在越过上升地形时被迫从低海拔抬升到高海拔。随着气团海拔升高，它会膨胀并冷却。这种较冷的空气不能像暖空气那样很好地保持水分，这有效地使相对湿度升高到 100%，形成云，并且经常降水。

由地形抬升引起的降水在世界各地许多地方发生。例如：

澳大利亚东海岸，面对盛行的东风，
新西兰的山脉，面对塔斯曼海的盛行西风。
安第斯山脉南部面向太平洋的盛行西风。
美国西北部和加拿大（俄勒冈州、华盛顿州和不列颠哥伦比亚省）也受到来自北太平洋的盛行西风的影响。沿海山脉面向海洋的一侧年降水量超过 100 英寸（超过 2.5 米）。这些地区位于山脉迎风坡，处在风暴系统的路径上，因此会从云层中挤压出水分。

5. 用图示说明地球与太阳的关系是如何产生四季的。

地球的自转轴倾斜导致四季的产生。当轴向倾斜使一个半球远离太阳时，就是冬季；当轴向倾斜使一个半球朝向太阳时，就是夏季。这并非因为地球这部分距离太阳的距离变化，而是因为阳光的入射角要么更直接，要么更不直接。地球绕太阳的椭圆轨道导致它与太阳的距离变化远大于轴向倾斜，且不影响四季。

更好的理解方式是：用一束手电筒照射一张纸或纸板。当手电筒的光线平行于纸张时，光斑是圆形的。如果倾斜纸张，光斑就会变成长条形。两种情况下，纸张上照射的光量相同，但光线在圆形光斑中比在长条形光斑中更集中。长条形光斑照亮的面**积**更大，因此长条形“光斑”中每平方英寸照射的光线更少。光线更少意味着热量更少，在地球的情况下，这意味着“冬季”。

6. 什么是闪电和雷声？有哪些不同类型的闪电？

闪电是如何形成的？是什么导致雷暴和闪电？

闪电是由云层中积聚的电荷引起的。科学家们仍然不确定这究竟是如何发生的，但一种合理的解释是，水滴和冰块在云层中上下移动，将电子分离并将其输送到云层的底部。无论如何，这会导致云层产生电场。当这个电场变得足够强时，云层中的电子开始排斥地面上的电子，导致地面带正电。当地面与云层之间的电压差变得足够大时，空气就会**击穿**，实际上会导电。空气实际上会变成等离子体。当它导电时，就会产生闪电。电荷向下移动，通常会分裂成细丝；这些细丝会吸引来自地球上物体（如树木、电线杆、塔楼、动物、草叶）的向上等离子体电荷。这些细丝是肉眼可见的。许多电荷会向上移动，但通常只有一个电荷会与空气中的细丝接触，从而完成电路。一旦发生这种情况，闪电就会以巨大的能量释放。

许多人错误地认为，汽车在雷雨天气中是一个安全的地方，是因为轮胎中的橡胶将乘客与地面隔绝。但考虑到闪电可能刚刚穿过一英里的空气，你认为四分之一英寸的橡胶能减缓它的速度吗？**一点也不！**你在汽车中安全的原因是因为你被金属外壳包围着，金属外壳会将电流导向你的周围，而不是穿过你的身体。

雷声

即使在今天，现代科学也无法完全理解雷声。这个词通常用来描述由闪电周围和内部空气快速加热和膨胀引起的声波冲击。闪电将空气变成等离子体，并立即爆炸，从而发出被称为雷声的响声。

这种现象与闪电同时发生，但雷声通常在看到闪电后才能听到，因为光速（每秒 300,000,000 米）比声速（每秒约 300 米）快。在非常靠近闪电的地方，声音和光线几乎可以同时听到和看到。

闪电种类

一些闪电具有特定的特征；科学家和公众已经给这些不同类型的闪电起了名字。

云内闪电、片状闪电、砧状闪电

云内闪电是最常见的闪电类型，完全发生在一个积雨云内部；它被称为片状闪电，因为看不到闪电本身，而是看到整个云层从内部亮起来。沿着云砧或其底部延伸的闪电通常被称为爬行闪电，有时也称为“蜘蛛闪电”。砧状闪电中的放电沿着积雨云的侧面向上移动，并在砧顶处分叉。

云地闪电、砧地闪电

云地闪电是由向下移动的先导通道引起的积雨云与地面之间的大型闪电放电。这是第二常见的闪电类型。云地闪电的一种特殊类型是砧地闪电，它是一种正闪电，因为它起源于积雨云砧顶，那里冰晶带正电。在砧地闪电中，先导通道几乎以水平方向发出，直到它转向地面。这些闪电通常发生在主风暴的前方几英里处，并在晴朗的天气中毫无征兆地袭击。它们是即将到来的风暴的征兆，俗称“晴天霹雳”。

云间闪电

云间闪电，或称云间放电，是一种相对罕见的闪电类型，发生在两个或多个完全分离的积雨云之间。

地云闪电

地云闪电是由向上移动的先导通道引起的积雨云与地面之间的闪电放电。这些雷暴云形成于任何有足够上升运动、垂直不稳定性和水分的地方，以产生一个深层云层，延伸到略低于冰点的水平。这些条件最常在夏季出现。

热闪电或夏日闪电

热闪电（或英国的“夏日闪电”）只不过是远处雷暴在视野或其他云层中发出的微弱闪电。热闪电之所以得名，是因为它经常出现在炎热的夏季夜晚。热闪电可能是雷暴来临的预警信号。在佛罗里达州，人们经常在夜晚看到热闪电出现在海面上，是白天在从对面海岸吹来的海风锋面形成的风暴残留。在某些情况下，雷暴可能距离太远，无法听到与闪电放电相关的雷声。

球状闪电

球状闪电被描述为一种在雷暴期间出现的漂浮发光球体。它们可以快速移动、缓慢移动或几乎静止不动。有些会发出嘶嘶声或噼啪声，有些则完全无声。有些球状闪电被发现会穿过窗户，甚至以爆炸的方式消失。球状闪电曾被目击者描述，但很少甚至从未被气象学家记录下来。

7. 用图示说明对流是什么？它与风有什么关系？

上升的气团通常会因为辐射热而散失热量。在某个点，气团会变得比下方仍在上升的气团更稠密。由于它无法穿过上升的气团下降，所以它会向一侧移动。在一定距离后，它的向下力克服了下方上升的力，气团开始下降。在下降过程中，它通过地表接触、传导或压缩再次变暖，循环周而复始。（下降气体压缩产生的热量是造成一些受欢迎的冬季现象的原因，例如西北美洲的奇努克风或阿尔卑斯山的焚风。）

8. 解释雷达、卫星和计算机是如何用于天气预报的。

雷达

天气雷达是一种用于定位降水、计算其运动、估计其类型（雨、雪、冰雹等）以及预测其未来位置和强度的雷达。现代天气雷达大多是多普勒雷达，除了能够探测降水的强度之外，还能够探测雨滴的运动。这两种类型的数据都可以被分析来确定风暴的结构及其造成恶劣天气的可能性。

卫星

气象卫星是一种主要用于监测地球天气和气候的卫星。然而，这些气象卫星看到的不仅仅是云和云系。城市灯光、火灾、污染的影响、极光、沙尘暴、积雪、冰图、洋流边界、能量流动等都是从气象卫星收集到的其他环境信息。

厄尔尼诺及其对天气的影响每天都通过卫星图像进行监测。南极臭氧洞是根据气象卫星数据绘制的。总的来说，由美国、欧洲、印度、中国、俄罗斯和日本发射的气象卫星为全球天气监测提供了几乎连续的观测数据。

来自气象卫星的可见光图像在当地白天很容易被普通人解读；云、云系（如锋面和热带风暴）、湖泊、森林、山脉、积雪、火灾以及污染（如烟雾、雾霾、尘埃和霾）一目了然。甚至可以通过云的模式、排列和来自连续照片的移动来确定风。

计算机

计算机在很大程度上决定了今天天气预报的准确性。各种计算机不仅用于收集来自全球数千个传感器的天气数据，还用于运行天气模拟，以及在电视新闻节目中向公众展示信息。

在这些任务中，运行天气模拟无疑是最具挑战性的。数值天气预报模型是对大气进行的计算机模拟。它们以分析为起点，利用对物理和流体动力学的理解，将大气的状态向前推演。控制流体状态随时间变化的复杂方程需要超级计算机来求解。模型的输出为天气预报提供了依据。在预报中使用了一些模型，每个模型都略有不同。气象学家观察几个模型的输出，并根据这些输出形成他们的预报。

9. 讲述以下因素如何影响我们的天气

a. 急流

急流是地球表面以上约 11 公里（36,000 英尺）处大气中发现的快速流动的、相对狭窄的气流。它们形成于具有显着温差的相邻气团边界，例如极地地区和更温暖的南边空气。因此，极地和急流之间的区域很冷，赤道和急流之间的区域很暖。随着急流沿着南北方向移动，天气也会随之变化。

气象学家现在了解到，急流引导着大气中较低层的旋风风暴系统，因此了解它们的路径已成为天气预报的重要组成部分。急流还在超级单体（产生龙卷风的暴风雨系统）的形成中发挥着重要作用。

急流是一条狭窄的快速移动的风带，通常位于 9 公里（30,000 英尺）以上，在急流沿线上具有三维区域或最大风速的口袋。当风进入这些最大区域时，它被恰当地称为入口区域，而当它退出时，则被称为出口区域。随着风加速进入急流最大值，它会产生一个发散区域。这种高空发散有助于在近地表处产生汇合区域。这些区域被称为低压中心。我们从那里得到很多天气。除了帮助在低层大气中产生风暴中心外，急流还会帮助引导这些风暴，就像被困在快速流动的水流中的木头一样。

b. 火山爆发

当火山爆发时，它会向大气中喷发出大量的火山灰。这足以减少到达地球的阳光量，导致暂时的（尽管有时是毁灭性的）全球降温。它还会影响日落多年来的颜色强度。

火山附近的天气主要影响是，火山爆发时通常会出现大量降雨、闪电和雷声。这是因为所有喷入大气的火山灰颗粒都非常善于吸引/收集水滴。我们不太清楚闪电是如何产生的，但它可能涉及颗粒穿过空气并分离正负电荷颗粒。

10. 绘制一张展示天气中水循环的图。

水循环是水在地球表面之上、之上和之下持续运动的过程。它由太阳能驱动，因为它是一个循环，所以没有起点或终点。当水在水圈中移动时，它会在液态、蒸汽和冰之间发生状态变化。水从一个地方移动到另一个地方所需的时间从几秒到几千年不等，水圈中不同部分储存的水量范围可达 13.7 亿立方公里，这些水都包含在海洋中。尽管水圈内不断运动，但在任何特定时间的水总量在本质上保持不变。

11. 制作一个简单的风向标或雨量计。

风向标

一个简单的风向标可以用一根厚纸条固定在一段短吸管上制成。首先，将纸条对折。将吸管放在折痕处，然后将纸条粘在一起。在你想要测量风向的地方，将一根钉子、扫帚柄或类似的东西插入地面，然后将一颗图钉钉入顶端。然后将吸管放在钉子上，使其可以自由摆动。当风吹过时，风向标（纸条和吸管）会绕着钉子旋转，指示风向。

雨量计

雨量计制作起来非常简单。你需要一个小巧的透明容器，从上到下直径一致。如果你难以找到直径一致的容器，可以选择使用一个 2 升的苏打水瓶。撕掉标签。切掉瓶子的顶部，然后用石膏填充到 4 到 5 厘米深（这将提供一个平滑的底部，而不是 2 升水瓶通常具有的凹凸不平的底部）。你可能希望使用环氧树脂而不是石膏 - 虽然更贵，但更防水。石膏只要你不是计划长时间使用雨量计，就可以正常工作。你也可以通过给石膏涂上清漆来提高其防水性。

用尺子在容器侧面标记毫米和厘米，0 刻度与容器内部的底部重合。然后将其放在外面，使其可以收集雨水。当雨停后，快速比较水位与指示器，就能知道下了多少雨。暴雨过后清空雨量计。

12. 保持一个一周的天气图表，并记录每 12 小时一次的读数。包括以下内容：a. 温度 b. 湿度（露水、雾、雨、霜或雪）c. 云层形成 d. 风向

你可能需要每天打电话给你的拓荒者，让他们这样做。先从第 11 个要求开始制作天气仪器，可以帮助营造对天气的兴奋感。在你们地区天气最极端的时候进行这项荣誉，可能也会有帮助。你可以从这里下载追踪图表，并给每个学生一份。 http://www.pathfindersonline.org/pdf/resources/weather_tracking_chart.pdf

如果你正在教一组探索者学习这项荣誉，他们可以在他们的日记里填写一张图表。

参考资料

http://science.howstuffworks.com/lightning.htm
维基百科文章