基督復臨安息日會青年榮譽答案手冊/自然/天氣

天氣
自然世界總會另請參見天氣 - 高階	技能等級 1
自然世界總會另請參見天氣 - 高階	引進年份：1944

內容

天氣榮譽是自然學家大師獎的可選組成部分。

1. 解釋以下每個現象是如何形成的

a. 霧

相對溼度是衡量空氣中水分含量與空氣中所能容納的水分含量之比的指標。隨著溫度升高，空氣中可以容納更多水分；隨著溫度下降，空氣中可以容納的水分就會減少。當溼度達到 100% 且溫度下降時，空氣就無法再容納空氣中所有水分。霧是當溫度下降時空氣中擠壓出來的水分。這種水分，即霧靄，可以被認為是地表附近的雲層。

b. 雨

雨是由雲層中的水滴分別降落到地球表面而形成的。

要形成降雨，潮溼的空氣需要冷卻，從而導致水蒸氣凝結。這通常是透過迫使空氣上升的某種因素來實現的。空氣上升的原因是：山丘和山脈（地形抬升）、地球表面不規則導致的機械或摩擦湍流、氣壓系統碰撞（例如冷鋒在較暖的空氣下方抬升）、熱空氣上升（對流）、低壓系統，其中存在普遍的向上運動區域。

如果有足夠的水分，並且空氣上升到足以形成濃密的雲層，那麼這些因素中的任何一個都可能導致降雨。

c. 露水

露水是水以水滴的形式出現在早晨或傍晚暴露在外的薄物體上。當暴露的表面透過向天空輻射熱量而冷卻時，大氣中的水分以比蒸發速度更快的速度凝結，從而形成水滴。

d. 雪

雪是以結晶水冰形式降落的降水，由許多雪花組成。由於它由細小的粗糙顆粒組成，因此是一種顆粒狀物質。它具有開放的結構，因此很軟，除非受到外部壓力。

雪通常是在水蒸氣在大氣層較高處以低於 0 °C (32 °F) 的溫度發生凝華時形成的。它也可以由落下的冰霧顆粒形成，冰霧是在表面空氣中的溼度在極低溫度下凍結時形成的。

e. 雨夾雪

在英國和其他英聯邦國家，雨夾雪是指在降落到地面時部分融化的雪，因為周圍的空氣足夠溫暖，能夠在雪降落時部分融化它，但不夠溫暖，無法將其完全融化成雨。因此，它指的是部分融化的水滴，即雪和雨的混合物。它不會在地面上形成一層，除非地面的溫度低於冰點，在這種情況下，它會在表面形成一層危險的無形的冰，被稱為“黑冰”。

在美式英語中，雨夾雪是指由微小的凍雨滴或冰粒組成的降水。這經常被誤認為是冰雹，但形成方式不同，通常（但並非總是）更小。當雪花從大氣中較暖的薄層中穿過時，就會開始融化。如果它們再次穿過靠近地面的較冷的冰點以下的空氣層，它們就會重新凍結，形成小冰球。這些冰球在撞擊地面時可能會彈跳，並且不會凍結成固體塊，除非與凍雨混合。

f. 冰雹

當過冷的水與接觸物接觸時凍結，冰雹會在凝結核（如塵埃、昆蟲或冰晶）上形成。冰雹的大小通常從豌豆大小到高爾夫球大小不等。

g. 霜

如果與空氣接觸的固體表面冷卻到冰點以下，那麼冰的結構就會從固體表面生長出來。晶體的大小取決於時間和可利用的水蒸氣量。

2. 從天空或圖片中識別以下型別的雲：捲雲、積雲、層雲、雨雲。每種雲與什麼天氣有關聯？

捲雲
積雲
層雲
雨雲

捲雲: 捲雲位於最高海拔。它們通常看起來很薄很輕。它們與晴朗天氣有關。

積雲: 積雲通常是蓬鬆的，並且經常有非常明顯的邊緣，通常有明顯的垂直髮展。它們通常呈現出類似爆米花的形狀。雲層可以相當孤立，也可以成群地聚集在一起。從積雲底部降下的第一場雨會蒸發到下面的空氣中，使空氣冷卻——通常降溫幾度。這種冷卻的空氣會下降，冷卻得越多，下降得越快。因此，我們不僅有雨從雲中落下，而且還有空氣下降，而不是空氣上升到雲中。這就是為什麼積雲與涼爽潮溼的天氣有關。

層雲: 層雲屬於一類以水平分層和均勻底面為特徵的雲，與對流雲（高聳或比寬高，稱為積雲）形成對比。更具體地說，層雲一詞用於描述低空平坦、無特徵的雲，顏色從深灰色到近白色不等。這些雲本質上是地面以上的霧，是早晨霧氣升起或冷空氣在低空越過某一地區時形成的。這些雲通常不會帶來降水，但如果高度足夠低形成霧，則可能會出現毛毛雨或薄霧。

雨雲: 雨雲是黑暗、陡峭的雲。Nimbus 是拉丁語，意思是雲或暴雨。這些雲通常被稱為“雷暴雲”。

3. 解釋水銀溫度計或酒精溫度計、水銀氣壓計、無液氣壓計和雨量計的工作原理。

酒精溫度計

酒精溫度計和水銀溫度計的工作原理相同。“酒精”溫度計中的“酒精”是乙醇，乙醇和水銀都會隨著溫度變化而膨脹和收縮。當天氣寒冷時，它們會收縮，當天氣炎熱時，它們會膨脹。可以建造一種溫度計來利用和放大這些特性。底部帶有燈泡的玻璃管中裝滿了乙醇。管子可以容納更多體積的乙醇，因此可以膨脹的乙醇更多。當它膨脹時，它只能進入狹窄的管子。根據膨脹將乙醇傳送到管子中的高度來讀取溫度。

水銀氣壓計

標準水銀氣壓計有一個 76 釐米（30 英寸）高的玻璃柱，一端封閉，底部有一個開放的水銀儲液器。管子中的水銀會調整，直到水銀柱的重量平衡了作用在儲液器上的大氣力。高氣壓對儲液器施加更大的向下力，迫使水銀在管中升高。低氣壓允許水銀透過降低作用在儲液器上的向下力而在管中下降到較低的位置。

無液氣壓計

氣壓計的目的是測量大氣重量或空氣施加的壓力。無液氣壓計類似於氣球，因為它有一個充滿空氣的腔室。當外部氣壓增加時，腔室內的氣壓也會增加。它唯一的解決辦法是減小腔室的體積——換句話說，外部氣壓會壓扁腔室。回到氣球的類比，氣球會變小。當外部氣壓降低時，腔室內的空氣也會降低壓力。它唯一的解決辦法是膨脹，佔用更多體積，使容納它的腔室變大。在氣球的類比中，氣球會變大。無液氣壓計基本上測量的是腔室的厚度。

無液氣壓計使用一個稱為無液腔室的小型柔性金屬盒。這個無液腔室由鈹銅合金製成。抽空的腔室（通常是多個腔室）透過一個強大的彈簧防止坍塌。外部氣壓的微小變化會導致腔室膨脹或收縮。這種膨脹和收縮驅動機械槓桿，以使腔室的微小移動被放大並顯示在無液氣壓計的表面上。許多型號都包括一個手動設定的指標，用於標記當前測量值，以便可以觀察到變化。此外，該機制被故意做得“僵硬”，因此輕敲氣壓計可以揭示壓力是上升還是下降，因為指標會移動。

雨量計

標準雨量計由一個漏斗連線到一個刻度量筒組成，量筒可以放入一個更大的容器中。如果水從量筒中溢位，外部容器將接住它。因此，在測量時，將測量量筒，然後將多餘的水倒入另一個量筒中並測量。在大多數情況下，量筒的刻度為毫米，如上圖所示，可以測量高達 25 毫米（0.98 英寸）的降雨量。量筒上的每條水平線代表 0.2 毫米（0.007 英寸）。較大的容器收集從量筒頂部附近的小孔流出的任何超過 25 毫米的降雨量。金屬管連線到容器上，並且可以調節以確保雨量計水平。然後，該管子套在一個已插入地面的金屬桿上。

4. 為什麼山脈的一側可能下雨，而另一側卻乾燥？舉例說明您所在的國家或地區。a. 為什麼山區比低地更涼爽潮溼？b. 在您所在地區，雨水和晴朗天氣通常來自哪個方向？

地形抬升是指當氣團在越過上升地形時被迫從低海拔抬升到高海拔。隨著氣團海拔升高，它會膨脹並冷卻。這種較冷的空氣不能像暖空氣那樣很好地保持水分，這有效地使相對溼度升高到 100%，形成雲，並且經常降水。

由地形抬升引起的降水在世界各地許多地方發生。例如：

澳大利亞東海岸，面對盛行的東風，
紐西蘭的山脈，面對塔斯曼海的盛行西風。
安第斯山脈南部面向太平洋的盛行西風。
美國西北部和加拿大（俄勒岡州、華盛頓州和不列顛哥倫比亞省）也受到來自北太平洋的盛行西風的影響。沿海山脈面向海洋的一側年降水量超過 100 英寸（超過 2.5 米）。這些地區位於山脈迎風坡，處在風暴系統的路徑上，因此會從雲層中擠壓出水分。

5. 用圖示說明地球與太陽的關係是如何產生四季的。

地球的自轉軸傾斜導致四季的產生。當軸向傾斜使一個半球遠離太陽時，就是冬季；當軸向傾斜使一個半球朝向太陽時，就是夏季。這並非因為地球這部分距離太陽的距離變化，而是因為陽光的入射角要麼更直接，要麼更不直接。地球繞太陽的橢圓軌道導致它與太陽的距離變化遠大於軸向傾斜，且不影響四季。

更好的理解方式是：用一束手電筒照射一張紙或紙板。當手電筒的光線平行於紙張時，光斑是圓形的。如果傾斜紙張，光斑就會變成長條形。兩種情況下，紙張上照射的光量相同，但光線在圓形光斑中比在長條形光斑中更集中。長條形光斑照亮的面**積**更大，因此長條形“光斑”中每平方英寸照射的光線更少。光線更少意味著熱量更少，在地球的情況下，這意味著“冬季”。

6. 什麼是閃電和雷聲？有哪些不同型別的閃電？

閃電是如何形成的？是什麼導致雷暴和閃電？

閃電是由雲層中積聚的電荷引起的。科學家們仍然不確定這究竟是如何發生的，但一種合理的解釋是，水滴和冰塊在雲層中上下移動，將電子分離並將其輸送到雲層的底部。無論如何，這會導致雲層產生電場。當這個電場變得足夠強時，雲層中的電子開始排斥地面上的電子，導致地面帶正電。當地面與雲層之間的電壓差變得足夠大時，空氣就會**擊穿**，實際上會導電。空氣實際上會變成等離子體。當它導電時，就會產生閃電。電荷向下移動，通常會分裂成細絲；這些細絲會吸引來自地球上物體（如樹木、電線杆、塔樓、動物、草葉）的向上等離子體電荷。這些細絲是肉眼可見的。許多電荷會向上移動，但通常只有一個電荷會與空氣中的細絲接觸，從而完成電路。一旦發生這種情況，閃電就會以巨大的能量釋放。

許多人錯誤地認為，汽車在雷雨天氣中是一個安全的地方，是因為輪胎中的橡膠將乘客與地面隔絕。但考慮到閃電可能剛剛穿過一英里的空氣，你認為四分之一英寸的橡膠能減緩它的速度嗎？**一點也不！**你在汽車中安全的原因是因為你被金屬外殼包圍著，金屬外殼會將電流導向你的周圍，而不是穿過你的身體。

雷聲

即使在今天，現代科學也無法完全理解雷聲。這個詞通常用來描述由閃電周圍和內部空氣快速加熱和膨脹引起的聲波衝擊。閃電將空氣變成等離子體，並立即爆炸，從而發出被稱為雷聲的響聲。

這種現象與閃電同時發生，但雷聲通常在看到閃電後才能聽到，因為光速（每秒 300,000,000 米）比聲速（每秒約 300 米）快。在非常靠近閃電的地方，聲音和光線幾乎可以同時聽到和看到。

閃電種類

一些閃電具有特定的特徵；科學家和公眾已經給這些不同型別的閃電起了名字。

雲內閃電、片狀閃電、砧狀閃電

雲內閃電是最常見的閃電型別，完全發生在一個積雨雲內部；它被稱為片狀閃電，因為看不到閃電本身，而是看到整個雲層從內部亮起來。沿著雲砧或其底部延伸的閃電通常被稱為爬行閃電，有時也稱為“蜘蛛閃電”。砧狀閃電中的放電沿著積雨雲的側面向上移動，並在砧頂處分叉。

雲地閃電、砧地閃電

雲地閃電是由向下移動的先導通道引起的積雨雲與地面之間的大型閃電放電。這是第二常見的閃電型別。雲地閃電的一種特殊型別是砧地閃電，它是一種正閃電，因為它起源於積雨雲砧頂，那裡冰晶帶正電。在砧地閃電中，先導通道幾乎以水平方向發出，直到它轉向地面。這些閃電通常發生在主風暴的前方几英里處，並在晴朗的天氣中毫無徵兆地襲擊。它們是即將到來的風暴的徵兆，俗稱“晴天霹靂”。

雲間閃電

雲間閃電，或稱雲間放電，是一種相對罕見的閃電型別，發生在兩個或多個完全分離的積雨雲之間。

地雲閃電

地雲閃電是由向上移動的先導通道引起的積雨雲與地面之間的閃電放電。這些雷暴雲形成於任何有足夠上升運動、垂直不穩定性和水分的地方，以產生一個深層雲層，延伸到略低於冰點的水平。這些條件最常在夏季出現。

熱閃電或夏日閃電

熱閃電（或英國的“夏日閃電”）只不過是遠處雷暴在視野或其他雲層中發出的微弱閃電。熱閃電之所以得名，是因為它經常出現在炎熱的夏季夜晚。熱閃電可能是雷暴來臨的預警訊號。在佛羅里達州，人們經常在夜晚看到熱閃電出現在海面上，是白天在從對面海岸吹來的海風鋒面形成的風暴殘留。在某些情況下，雷暴可能距離太遠，無法聽到與閃電放電相關的雷聲。

球狀閃電

球狀閃電被描述為一種在雷暴期間出現的漂浮發光球體。它們可以快速移動、緩慢移動或幾乎靜止不動。有些會發出嘶嘶聲或噼啪聲，有些則完全無聲。有些球狀閃電被發現會穿過窗戶，甚至以爆炸的方式消失。球狀閃電曾被目擊者描述，但很少甚至從未被氣象學家記錄下來。

7. 用圖示說明對流是什麼？它與風有什麼關係？

上升的氣團通常會因為輻射熱而散失熱量。在某個點，氣團會變得比下方仍在上升的氣團更稠密。由於它無法穿過上升的氣團下降，所以它會向一側移動。在一定距離後，它的向下力克服了下方上升的力，氣團開始下降。在下降過程中，它透過地表接觸、傳導或壓縮再次變暖，迴圈週而復始。（下降氣體壓縮產生的熱量是造成一些受歡迎的冬季現象的原因，例如西北美洲的奇努克風或阿爾卑斯山的焚風。）

8. 解釋雷達、衛星和計算機是如何用於天氣預報的。

雷達

天氣雷達是一種用於定位降水、計算其運動、估計其型別（雨、雪、冰雹等）以及預測其未來位置和強度的雷達。現代天氣雷達大多是多普勒雷達，除了能夠探測降水的強度之外，還能夠探測雨滴的運動。這兩種型別的資料都可以被分析來確定風暴的結構及其造成惡劣天氣的可能性。

衛星

氣象衛星是一種主要用於監測地球天氣和氣候的衛星。然而，這些氣象衛星看到的不僅僅是雲和雲系。城市燈光、火災、汙染的影響、極光、沙塵暴、積雪、冰圖、洋流邊界、能量流動等都是從氣象衛星收集到的其他環境資訊。

厄爾尼諾及其對天氣的影響每天都透過衛星影像進行監測。南極臭氧洞是根據氣象衛星資料繪製的。總的來說，由美國、歐洲、印度、中國、俄羅斯和日本發射的氣象衛星為全球天氣監測提供了幾乎連續的觀測資料。

來自氣象衛星的可見光影像在當地白天很容易被普通人解讀；雲、雲系（如鋒面和熱帶風暴）、湖泊、森林、山脈、積雪、火災以及汙染（如煙霧、霧霾、塵埃和霾）一目瞭然。甚至可以透過雲的模式、排列和來自連續照片的移動來確定風。

計算機

計算機在很大程度上決定了今天天氣預報的準確性。各種計算機不僅用於收集來自全球數千個感測器的天氣資料，還用於執行天氣模擬，以及在電視新聞節目中向公眾展示資訊。

在這些任務中，執行天氣模擬無疑是最具挑戰性的。數值天氣預報模型是對大氣進行的計算機模擬。它們以分析為起點，利用對物理和流體動力學的理解，將大氣的狀態向前推演。控制流體狀態隨時間變化的複雜方程需要超級計算機來求解。模型的輸出為天氣預報提供了依據。在預報中使用了一些模型，每個模型都略有不同。氣象學家觀察幾個模型的輸出，並根據這些輸出形成他們的預報。

9. 講述以下因素如何影響我們的天氣

a. 急流

急流是地球表面以上約 11 公里（36,000 英尺）處大氣中發現的快速流動的、相對狹窄的氣流。它們形成於具有顯著溫差的相鄰氣團邊界，例如極地地區和更溫暖的南邊空氣。因此，極地和急流之間的區域很冷，赤道和急流之間的區域很暖。隨著急流沿著南北方向移動，天氣也會隨之變化。

氣象學家現在瞭解到，急流引導著大氣中較低層的旋風風暴系統，因此瞭解它們的路徑已成為天氣預報的重要組成部分。急流還在超級單體（產生龍捲風的暴風雨系統）的形成中發揮著重要作用。

急流是一條狹窄的快速移動的風帶，通常位於 9 公里（30,000 英尺）以上，在急流沿線上具有三維區域或最大風速的口袋。當風進入這些最大區域時，它被恰當地稱為入口區域，而當它退出時，則被稱為出口區域。隨著風加速進入急流最大值，它會產生一個發散區域。這種高空發散有助於在近地表處產生匯合區域。這些區域被稱為低壓中心。我們從那裡得到很多天氣。除了幫助在低層大氣中產生風暴中心外，急流還會幫助引導這些風暴，就像被困在快速流動的水流中的木頭一樣。

b. 火山爆發

當火山爆發時，它會向大氣中噴發出大量的火山灰。這足以減少到達地球的陽光量，導致暫時的（儘管有時是毀滅性的）全球降溫。它還會影響日落多年來的顏色強度。

火山附近的天氣主要影響是，火山爆發時通常會出現大量降雨、閃電和雷聲。這是因為所有噴入大氣的火山灰顆粒都非常善於吸引/收集水滴。我們不太清楚閃電是如何產生的，但它可能涉及顆粒穿過空氣並分離正負電荷顆粒。

10. 繪製一張展示天氣中水迴圈的圖。

水迴圈是水在地球表面之上、之上和之下持續運動的過程。它由太陽能驅動，因為它是一個迴圈，所以沒有起點或終點。當水在水圈中移動時，它會在液態、蒸汽和冰之間發生狀態變化。水從一個地方移動到另一個地方所需的時間從幾秒到幾千年不等，水圈中不同部分儲存的水量範圍可達 13.7 億立方公里，這些水都包含在海洋中。儘管水圈內不斷運動，但在任何特定時間的水總量在本質上保持不變。

11. 製作一個簡單的風向標或雨量計。

風向標

一個簡單的風向標可以用一根厚紙條固定在一段短吸管上製成。首先，將紙條對摺。將吸管放在摺痕處，然後將紙條粘在一起。在你想要測量風向的地方，將一根釘子、掃帚柄或類似的東西插入地面，然後將一顆圖釘釘入頂端。然後將吸管放在釘子上，使其可以自由擺動。當風吹過時，風向標（紙條和吸管）會繞著釘子旋轉，指示風向。

雨量計

雨量計製作起來非常簡單。你需要一個小巧的透明容器，從上到下直徑一致。如果你難以找到直徑一致的容器，可以選擇使用一個 2 升的蘇打水瓶。撕掉標籤。切掉瓶子的頂部，然後用石膏填充到 4 到 5 釐米深（這將提供一個平滑的底部，而不是 2 升水瓶通常具有的凹凸不平的底部）。你可能希望使用環氧樹脂而不是石膏 - 雖然更貴，但更防水。石膏只要你不是計劃長時間使用雨量計，就可以正常工作。你也可以透過給石膏塗上清漆來提高其防水性。

用尺子在容器側面標記毫米和釐米，0 刻度與容器內部的底部重合。然後將其放在外面，使其可以收集雨水。當雨停後，快速比較水位與指示器，就能知道下了多少雨。暴雨過後清空雨量計。

12. 保持一個一週的天氣圖表，並記錄每 12 小時一次的讀數。包括以下內容：a. 溫度 b. 溼度（露水、霧、雨、霜或雪）c. 雲層形成 d. 風向

你可能需要每天打電話給你的拓荒者，讓他們這樣做。先從第 11 個要求開始製作天氣儀器，可以幫助營造對天氣的興奮感。在你們地區天氣最極端的時候進行這項榮譽，可能也會有幫助。你可以從這裡下載追蹤圖表，並給每個學生一份。 http://www.pathfindersonline.org/pdf/resources/weather_tracking_chart.pdf

如果你正在教一組探索者學習這項榮譽，他們可以在他們的日記裡填寫一張圖表。

參考資料

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