角钢液压冲孔机:人工影响飓风计划(1962-1983) [图片]

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佛陀的泪珠 2010年08月10日 20:28 阅读(0) 评论(0) 分类：science
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雷霆风暴计划Comments>>
| Tags 标签：卷云计划,原创,热带风暴,飓风    雪歌 发表于 2010-08-10 17:16
形象但不精确地打个比方，飓风就像一个被旋转地球、发热的海水和湿热空气一起催生出来的火爆陀螺，被中层大气环流抽着移动，所到之处狂风暴雨。
气象学的定义，飓风（发生在西北太平洋的称为台风）是中心持续风力达到12级以上的热带涡旋性系统。飓风中心是相对平静的区域，卫星云图上可以看到一整片涡旋 云区中间有个无云的眼区。围绕眼区的是一圈快速旋转并强烈上升到对流层顶的云，像是螺旋飞速向上攀升的圆形墙，又称眼壁（eyewall）。这是飓风最具 破坏力的区域，最大持续风力和瞬时风力都发生在眼壁区。向外延展的对流涡旋云区也伴随着强风和暴雨，卫星观测显示这些多为螺旋状向外延伸的雨带 （rainband）。飓风一旦登陆，强风、暴雨、风暴潮和洪水之类的灾害往往让无数人失去生命或者无家可归。想象一下，如果可以把飓风制服，让这群全身危险品的醉 汉平静下来，成为乖乖运送淡水的扛水工人，那该多完美。就算不能一步实现，给飓风“去去火”也不错。Project STORMFURY就是当时人们所做的尝试。
虽然这个计划从1962年开始，故事得从1946年开始说起…
先驱者：文森 特沙佛(Vincent J. Schaefer) 和欧文 朗缪尔 (Irving Langmuir)

他们是同在通用（General Electric）实验室工作的两师徒。文森 特沙佛属于自学成才的科学家，15岁就辍学然后到通用当工人。他在通用实验室遇到欧文 朗缪尔时，欧文 朗缪尔已经是获得诺贝尔家的化学大牛了。欧文 朗缪尔欣赏文森 特沙佛的聪明才智，文森 特沙佛敬仰欧文 朗缪尔的博学多识。他们两个志趣相投，对户外活动和天气等都充满了激情。他们简直是导师和学生的典范，总之他们合作愉快，发明和发现了很多有意义的东西。
1946年，文森 特沙佛偶然发现干冰能让云迅速结冰。他和导师一同设计实验，在通用实验室里成功地制造出人工雪花和降水。实验室里另一个科学家伯纳德 冯尼格特（Bernard Vonnegut）随后发现碘化银粉末也可以促使云产生冰晶降水。这些发现和实验造成不小的轰动。正如47年后纽约时报文森特沙佛的悼文中写着：他曾被赞誉为对天气做了点什么而不是只说不做的第一人。（He was hailed as the first person to actually do something about the weather and not just talk about it.）这里说到的“做了点什么”就是后来人工影响天气的重要理论之一—云种播撒。干冰粉和碘化银粉末可以促使云产生冰晶，因为云中存在很多在零度以下仍为液态的过冷水。这些过冷水遇到 干冰或碘化银会迅速结晶，并快速增长成冰晶或雪片，这样能帮助云层产生降水。
惨遭飓风报复的试验—卷云计划Project Cirrus (1947-1952年)

在巨大发现面前，他的导师欧文朗缪尔表现得更为“疯狂”。他看到用云种播撒机制影响天气的前景。在他的盛名和激情游说之下，通用、美国陆军通信兵、美国空军和美国海军不顾其他质疑的声音，合作进行第一个人工影响天气计划— Project Cirrus(卷云计划)。文森 特沙佛和伯纳德 冯尼格特是项目重要的科学家。卷云是在很高很冷的天空中形成的云，云里全部是冰晶或者过冷水。这个计划主要目的是在各种条件下进行云种播撒，然后通过飞机和地面设备观测天气变化。
这个多部门合作雄心勃勃的计划中一个特别项目，就是人工影响热带风暴和飓风。卷云计划1947年2月开始进行，一直没有飓风出现。直到10月10日，一个热带风暴在加勒比海上形成向北部移过来。10月13日清晨三架飞机起飞到飓风区域，其中一架飞机在飓风外围雨带播撒下约36公斤的干冰粉 末（又一说80公斤）。随后据机组人员所说，云层出现了很明显的改变，但是没有任何观测显示飓风的结构和强度有所变化。之后原本正在远离美国大陆的飓风突然转头向西行进，并在佐治亚州和南卡罗来纳 州登陆。这引起公众强烈不满，Irving Langmuir也在报告中提到，人类对飓风了解极度有限，应该在大洋中部做类似的试验。这项原本计划“人工影响热带风暴，并试图找到控制飓风移动路径”的计划惨遭飓风戏弄被迫取消，甚至被公众威胁将被起诉。
1947年第八号飓风路径图
重新启动的飓风研究—人工影响飓风计划 Project Stormfury
1954 -1955年, 6个强飓风袭击美国东海岸，导致近400人死亡。飓风带来的伤亡和财产损失的惨痛刺激下，美国政府开始重视飓风研究。1955年美国气象局成 立飓风研究课题（National Hurricane Research Project， NHRP），其中一个宗旨就是试图影响或改变飓风。科学家们认为，眼壁附近区的空气非常不稳定。如果进行云种撒播，冰晶过程释放的热量会对眼区的气压场产 生扰动，眼壁的不稳定被激发而向外扩张。根据角动量守恒原理，最大持续风速就会降低。1961年9月16日，NHRP和美国海军合作，向飓风 Esther眼壁播撒了大量碘化银，风速减弱10%。第二天他们继续播撒碘化银，但是不在眼壁区以内，风速没有减弱。这组对比试验被认为成功地证实了当时 的科学假想。这次试验大大鼓舞了项目参与者，一雪14年前飞行试验的耻辱。
1963年8月飓风Beulah生成，Stormfury计划迫不及待地 开始飞行。23日，Beulah的眼区还不明显，最大持续风速约为40米每秒，尚未达到强飓风（major hurricane）的强度。Stormfury播撒出现错误，将碘化银撒到外围区域，观测没有显示任何强度变化。第二天，Beulah发展出明显的眼 区，最大持续风速达到50米每秒。当飞机将碘化银播撒到目标位置，在外围新的眼壁开始形成，最大风速减弱20%，最大风速半径也外扩到新的眼区位置。这样 的结果看似又一次证实了Stormfury提出的科学假想。
Stormfury计划示意图
科学假想的发展和潜在缺陷
计划的科学假想也考虑了动力学因素，在冰晶形成的过程中，不但有能量释 放，产生的浮力也增强了云团中的对流上升运动。如果在眼壁区以外的强大积云塔中播撒，将加强积云塔的对流活动并产生新的眼壁。新的眼壁夺走原先眼壁的水汽 和动量输送发展起来并取代旧的眼壁。这样的眼壁外扩的过程将减弱飓风的强度。但是Stormfury计划证明这个科学假想的过程存在一个逻辑缺陷，那就是计划本身无法排除眼壁自身会发生替换的可能性。 不过这个缺陷被 观测证实已经是20年以后的事了，在此之前Stormfury计划风光了20年，一度发展成多达100人的团队。
1965 年Stormfury计划对媒体通报,计划对飓风Betsy进行播撒。但是，飓风Betsy突然折向，奔向陆地。研究机构只好取消了 飞行计划。之后飓风Betsy在佛罗里达州登陆。但是很多媒体没有接到Stormfury飞行取消的通知，仍然在宣传。公众和国会以为Stormfury 计划又把“祸水”引来。Stormfury计划花了两个月时间说服国会相信他们跟飓风Betsy无关。之后几年到直到1969年飓风Debbie之前，不是由于飓风季节不够活跃，就是因为飓风的位置太靠近陆地或者离陆地太远，Stormfury计划一直没有机会进行播撒试验。飓风Debbie符合 Stormfury计划的飓风减弱理论所有的要求：位置适当，强度够强，眼区明显。两次播撒以后，飓风风速分别减弱31%和18%。这第三次证实了 Stormfury计划的科学假想。他们满心希望地准备扩大试验范围和频率，把在这几年来改进了的播撒设备和观测设备充分发挥。
最后一次试验–1971年飓风Ginger
可惜天公不作美，70年代 初西北大西洋飓风活动非常不频繁，没有出现任何适合Stormfury播撒的飓风。1971年Stormfury尝试对飓风Ginger播撒。这个飓风强 度较弱而且眼区不明显，播撒以后没有出现任何改变。美国海军退出该计划，而且项目使用的飞机也到达了操作年限。项目重造了两架Lockheed WP-3D飞机。加上美国大气海洋局的一架C-130B，美国空军一架WC-130H和美国宇航局的一架Convair 990, 5架飞机可以更好地观测播撒和飓风强度的变化之间的关系。西北大西洋缺乏试验对象迫使Stormfury计划寻求在北太平洋和其他海域试验的机会。 Stormfury计划无法证明播撒过程是否会改变飓风的过程和路径，于是基于安全和其他考虑，没有国家同意在邻近海域进行试验。于是1971年对飓风 Ginger的播撒试验成为Stormfury计划最后一个飓风试验。
在飓风播撒期间，Stormfury 计划也在观测和播撒普通积云。观测发现和普通积云不同，飓风中存在很少的过冷水，这并不适合云种播撒增加降水的机制。另一方面，1977年飓风Anita 和1979年飓风David都出现新的眼壁在外围发展并取代旧的眼壁过程。人们开始怀疑之前Stormfury计划几次所谓成功干扰飓风强度的播撒试验， 很可能是正好碰到飓风自身演变。Stormfury计划不得不承认其无论是云物理学还是统计学上都是不可靠的。1983年Stormfury计划正式叫 停。在长达21年的时间里，Stormfury 计划追踪超过15个飓风，并对4个飓风尝试云种播撒试验， 留下很多宝贵的观测资料设备和八卦故事供后来的研究者反复引用。
参考文献和图片来源：
1.http://www.aoml.noaa.gov/hrd/hrd_sub/sfury.html
2.http://www.dtic.mil HISTORY OF PROJECT CIRRUS
3. Willoughby, H. E., D. P. Jorgensen, R. A. Black, and S. L. Rosenthal, 1985: Project STORMFURY, A Scientific Chronicle, 1962-1983, Bull. Amer. Meteor. Soc., 6, 505-514
4.http://en.wikipedia.org/wiki/Project_Stormfury
5. New York Times
月亮不掉，自行车不倒Comments>>
| Tags 标签：力矩,原创,圆周运动    沐右 发表于 2010-08-10 8:00
和sheldon（奶茶）合写
自行车和摩托车在静止的时候，没有支撑很难站的住，跑起来却会稳稳当当的，这是为什么？
如果换一个问法，也许能答上来的同学更多一些：人造卫星和月亮在静止的时候，没有支撑很难挂在天上，跑起来却会稳稳当当的，这是为什么？
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图：月亮，地球，太阳
让我们先来回答第二个问题。人造卫星和月亮会受到来自地球的万有引力。如果一开始人造卫星和月亮相对地球静止的话，万有引力会改变人造卫星和月亮的运动状态：从静止变成加速下落！

图：月亮加速下落
如果人造卫星和月亮按照一定“切向”速度相对于地球运动，它们仍然会受到来自地球的万有引力。万有引力会改变人造卫星和月亮的运动状态：从直线运动变成圆周运动！

图：月亮圆周运动加速下落，地表弯曲
圆周运动其实也是一种下落状态。只不过因为地球是圆的，人造卫星和月亮每下落一小点儿，地表也会弯下去一小点儿。同时，它们的运动方向也被不断改变，这样才可以永远“下落”，而不会落到地面上来。当年牛顿就是把苹果下落的原因和月亮下落的原因联系了起来[*]，推导出了万有引力定律。

图：Marco Facciola和他的全木自行车
现在我们可以回答第一个问题。自行车竖直静立在地面上的时候是处于一种平衡的状态——因为它受到的外力大小相等方向相反。但这种平衡不稳定，自行车侧向的微小扰动会破坏它的状态。此时，地面仍然在提供支撑力，而自行车却倒了下去。因为自行车的重心落在了车轮外，这和人会摔倒是一个道理。

图：自行车（没有画出摩擦力）的倒下和苹果的下落
此时自行车受到的重力产生了一个相对于车轮支撑点的“力矩”。力矩和力一样，都会改变物体的运动状态。力能够让静止的物体移动起来，力矩能让静止的物体转动起来。所以，自行车“转动”着摔下来，而不像苹果直接摔下来。

图：自行车手故意让重心落在车轮外，产生力矩，帮助转弯。
为什么车轮转起来的时候，自行车就不容易倒下来了呢？其实，车轮转起来的时候，往侧面歪的话，自行车仍然会受到力矩的作用。就像陀螺的进动一样，力矩不断地改变自行车的运动状态，让它不断改变车轮旋转的方向。换句话说，就改变了自行车前进的方向——自行车比赛和我们“大撒把”的时候，就是这样拐弯的。因此，“自行车和摩托车跑起来却会稳稳当当的”，这个“稳当”并不意味着受力平衡和力矩平衡，而是不断的改变运动状态。

图：陀螺的进动
在物理学中，力和力矩是类似的概念。如果一个物体不受外力，那么它就满足“动量守恒定律”，它会保持静止或者直线匀速的运动状态不变；同理，如果一个物体不受力矩，那么它就满足“角动量守恒定律”，它会保持静止或者匀速转动的状态不变。当我们研究到微观世界当中时，即使力和力矩的概念不复存在了，“动量守恒”和“角动量守恒”定律仍然有效。
*: 苹果下落是个比方，牛顿发现万有引力定律可能跟苹果无关。