圖解“熱力環流”教學中的常見悖論

陳 鋒

（德清縣高級中學, 浙江 湖州 313200）

圖解“熱力環流”教學中的常見悖論

陳 鋒

（德清縣高級中學, 浙江 湖州 313200）

《普通高中地理課程標準(實驗)解讀》認為，大氣的不均勻受熱是大氣運動的主要原因，大氣熱力環流則是理解許多大氣運動類型的理論基礎。小到城市熱島環流，大到全球性大氣環流，都可以用大氣熱力環流的原理來解釋。

因此，熱力環流在大氣環境部分有著極其重要的作用。但筆者發現，因認知上的偏差，關于熱力環流的內涵、外延，還存在著不少的錯誤觀點及論斷，且這種錯誤觀點及論斷還能自圓其說，形成悖論。本文通過理論分析、實踐探究來剖析并糾正熱力環流的內涵及外延在教學中的常見悖論。

一、理論分析把握熱力環流內涵

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

悖論1：密閉空氣柱內的垂直運動不影響氣壓變化

支撐理由：根據周淑貞關于氣壓的定義——單位面積上大氣柱的重量。假設一理想密閉的大氣柱，既沒有空氣流入，也沒有空氣流出，空氣只做垂直運動。在運動過程中，大氣柱內部并沒有發生質量的改變，因此，大氣柱底部即近地面位置上的氣壓并沒有發生變化。

剖析：產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有一個重要的條件，假設大氣相對于地面而言處于靜止狀態，則某點氣壓值等于該點單位面積上所受鉛直氣柱的重量。換句話講，地理學界關于氣壓的定義只適用于靜止的大氣。那么，運動中的氣壓該如何理解呢？高中物理對氣壓進行了熱力學上的定義，認為氣壓的實質是由于氣體分子的熱運動，熱運動導致氣體分子對物體表面撞擊而產生了力。重力只是導致氣體分子分布在豎直方向上并按指數規律遞減，一般認為這是氣壓產生的外因。空氣柱內的上升運動，會使近地面附近的氣體分子減少，進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。

結論：即使在密閉空氣柱內，垂直運動會影響氣壓的變化，上升運動會使近地面氣壓減小，下沉運動會使近地面氣壓增大。當然，密閉空氣柱這樣的假設也毫無現實意義，地球的大氣是開放的、流動的。

必須承認，熱力環流的過程中垂直運動先發生，而后發生水平運動。但水平運動是否存在高空先、近地面后的順序，也是眾說紛紜。

①

②

悖論2：高空的大氣水平運動早于近地面的大氣水平運動（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中關于“熱力環流”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高低差異，導致高空的空氣由高氣壓區向低氣壓區運動；高空的空氣出現水平運動之后，近地面才出現氣壓的高低差異，近地面也隨之出現水平運動。②來自生活的觀察經驗。如煙囪排放煙霧的擴散過程。

剖析：產生這種論斷的原因在于對“熱力環流”的形成過程的人為割裂及思維定勢。據筆者觀察發現，所有現行的及以前的教材在“熱力環流”部分的示意圖都將中間部分的近地面標識為“熱”，因思維習慣的原因或者表達順序的需要，在“熱力環流”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覺，認為“熱力環流”的過程中高空及近地面大氣的水平運動存在先后。其實，這并不是教材的側重點，只是在表述的時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散的過程，如煙囪的煙霧。而事實上，我們的眼睛欺騙了我們，我們看到的是高空煙霧的擴散，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動。須知，熱力環流是一整體的、動態的過程。

結論：高空的大氣水平運動與近地面的大氣水平運動同時進行，不分先后。高空的大氣水平運動與近地面大氣的水平運動的先后順序不是現行四種版本教材所要真正表達的，教材真正要傳遞的是“地面冷熱不均→空氣的垂直運動→同一水平面出現氣壓高低差異→空氣的水平運動”的思維鏈。

悖論3：熱力環流中，溫度與氣壓成正比

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

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

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

剖析：在大多數的大氣交互作用中，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，氣溫與氣壓關系不明。

結論：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。當然，在由近地面向高空的遞變過程中，氣溫與氣壓關系不明。

二、實踐探究明晰熱力環流外延

悖論4：熱力環流中的所有運動環節都是熱力作用形成的

支撐理由：熱力環流由熱力作用形成，不存在動力作用。

剖析：此處以實驗來說明。筆者曾做過一個簡單而有趣的實驗。在炎熱的夏季，除教室前門外，教室的其他門窗全部關閉，教室內開著空調，整個教室空間內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生觀察餐巾紙的飄動方向。觀察發現：在低處，空氣往室外流，在高處，空氣往室內流。