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揭秘自然灾害巨大威力：从闪电到海啸(组图)

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發表於 2012-5-10 10:30:03 |只看該作者 |倒序瀏覽

揭秘自然灾害巨大威力：从闪电到海啸(组图)
2012-05-10 06:26:09 来源：新浪环球地理
1.闪电

闪电
美国犹他州峡谷地国家公园，壮观的闪电弧在空中舞动。闪电是我们最熟悉的大自然“力量秀”。据估计，地球每秒钟被闪电击中的次数达到45次。美国国家海洋与大气管理局的闪电专家堂-麦克格曼表示，闪电是一种大气放电现象，所释放的能量在100兆焦到3万兆焦之间，通常在1000兆焦到5000兆焦之间。
在科幻影片《回到未来》中，埃米特-布朗博士利用闪电驱动他发明的时间旅行汽车，将主人公送到过去。在现实世界，闪电虽无法帮助我们实现时间旅行的梦想，但所产生的能量足以让一辆美国普通乘用车行驶大约180到910英里(约合290到1450公里)，相当于8到38加仑(约合30到144公升)汽油产生的能量。
影片中，布朗博士称闪电的电量可达到“1.21 jigawatt”，实际上应该在280到1390千瓦时之间，足以满足普通美国家庭大约9天到1个月的用电需求。闪电能量范围如此之大的原因在于其自身的复杂性。闪电最初在云层中形成，而后通过一个通道袭击地面，与地面接触时发生闪电回击，浪涌电流沿通道返回。在此过程中，绝大多数能量被转移到地面。人眼看到的一道闪电实际上由多道闪电构成，足以持续近半秒钟。如果每道闪电间的缝隙足够大，闪电会出现闪烁。
虽然较为短暂，但闪电的电压强度极高，可迅速将空气加热到接近5万华氏度(约合3万摄氏度)。相比之下，太阳的表面温度在大约1万华氏度(约合5500摄氏度)左右。温度升高的气体快速膨胀，形成冲击波，也就是我们听到的雷声。
虽然被闪电击中具有致命性，但与足以夷平整座城市和摧毁海岸线的其他自然灾害相比，闪电的能量显得微不足道。2011年3月11日，日本东北部发生9级大地震并引发海啸，是大自然展示力量的一个令人恐怖的例子。目前，科学家正想办法测量火山、野火、飓风以及海啸的能量。与这些自然灾害相比，人类利用的地热能、风能和太阳能简直不值一提，只是大自然能量中极少的一部分。
2.飓风

飓风
2005年8月29日，美国路易斯安那州肯纳，一家饭馆的屋顶被卡特里娜飓风掀开并吹到半空。我们可以将飓风理解为一个发动机，收集温暖湿润的热带海域的能量，而后以旋风的方式释放这些能量，能够造成惊人的破坏。
在2005年8月登陆路易斯安那州前大约17个小时，卡特里娜飓风达到峰值，强风从中央延伸的距离达到105英里(约合169公里)，速度达到每小时175英里(约合每小时282公里)。根据麻省理工学院大气学教授克里-伊曼纽尔的计算，卡特里娜飓风产生的能量大约相当于20万亿瓦电量，是路易斯安那州所有发电站夏季用电高峰时总发电量的近1000倍，后者为2.6万兆瓦。
计算飓风能量不仅仅是一种学术研究。目前，美国联邦政府的科学家正在研发一个新的评级系统，进一步测量飓风的破坏力。这个新系统将对飓风的动能进行更广泛的测量。新评级系统的支持者表示，这一系统能够进一步预测风暴潮。风暴潮是指飓风导致的水位暴涨，袭击沿岸地区。发生飓风灾难时，风暴潮造成的死亡人数最多。以卡特里娜飓风为例，风暴潮共夺去了近1000人的生命。
3.火山喷发

火山喷发
2010年4月16日，冰岛南部的埃亚菲亚德拉冰盖火山正在喷发，喷涌而出的火山灰云遮住了天空。火山喷发标志着地球内部的热量逃逸。目前，地热成为一种越发受人关注的能源。在冰岛，几乎所有建筑和热水设施都利用地热能，地热能的发电量在冰岛总发电量中的比重达到大约三分之一。
地热能也会以火山喷发的方式从地表冒出，但没有人知道如何安全利用这种形式的地热能。美国宇航局位于加利福尼亚州帕萨迪纳的喷气推进实验室的火山学家阿什利-戴维斯表示，2010年3月，埃亚菲亚德拉冰盖火山最初两次喷发产生的热辐射迅速飙升到10亿瓦特，而后又提升到60亿瓦特这一峰值。10亿瓦特相当于一座大型发电站的装机容量，例如美国的哈德逊河发电站。这座发电站利用煤炭、天然气和石油发电，可满足75万户家庭的用电需求。60亿瓦特超过除大古力水电站以外任何一座美国发电站的装机容量。
实际上，60亿瓦特只占埃亚菲亚德拉冰盖火山2010年释放的总热量很小的一部分，并不涵盖伴随火山喷发出现的地震和爆炸释放的机械能或者所喷出的溶岩的热量。借助于卫星图像，美国宇航局对这座火山释放的热量进行了测算。此外，这种方式也用于观测太阳系其他星球上的火山。戴维斯指出，与其他一些星球上的火山相比，地球上的火山只能是小巫见大巫。以木卫一“伊奥”上的一座火山为例，这座火山于2001年喷发，所释放的热量达到惊人的78太瓦，是美国所有发电站装机容量的78倍。其一小时内释放的能量相当于大约4600万桶原油，达到全球每天总消耗量的一半左右。
2010年4月，冰岛埃亚菲亚德拉冰盖火山上演了规模更大的喷发，此次喷发在冰盖下方发生，所产生的能量在很大程度上躲避了宇航局卫星的观测。不过，卫星观测到的辐射能仍达到60兆瓦。一小时内观测到的能量释放相当于1648加仑(约合6238公升)汽油，可让一辆每年行驶1万英里(约合1.6万公里)的美国普通汽车使用4年。戴维斯表示，此次喷发中，溶岩与冰结合成形成蒸汽云和火山灰云，导致欧洲很多航班停飞。他说：“羽状火山灰云吞噬了欧洲。”

4.地震

地震
2011年3月14日，日本北部岩手县的野田村，身穿橙色制服的救援人员正在废墟中寻找遇难者遗体。据美国地质调查局的科学家估计，为了引发足以摧毁岩手县以及日本东岸的海啸，3天前发生在太平洋东北部的地震至少需要产生相当于475兆吨TNT的能量。这一能量相当于3.26亿桶原油，可满足全球4天的用油需求。
借助于仪器，科学家只对少数自然现象释放的能量进行测量，其中就包括地震。地震仪获取的数据能够帮助科学家评估地震释放的能量——可怕的能量撕裂地表，同时撼动附近和远处的建筑。不过，仪器并不能描绘出完整的地震能量图像，部分能量通过摩擦产生的热量的方式消散。日本2011年发生的地震震级达到9级，是日本发生的最严重的地震之一，同时也是有史以来进行测量的最大地震之一。
5.龙卷风的力量

龙卷风的力量
一名男子正在美国伊利诺斯州哈里斯堡查看已故岳母的住宅废墟。这座被毁的住宅遭受了龙卷风袭击，这是上周从美国中西部和南部地区经过的几十场龙卷风中的一场。这场龙卷风导致5个州至少39人丧生。速度高达每小时180英里(290公里)的这场龙卷风直径大约275码(250米)，在哈德斯堡着陆时强度是4级，藤田级数的强度一共5级。总部设在俄克拉荷马州纽曼美国国家海洋和大气管理局暴风雨预测中心的名誉退休主管约瑟夫-谢尔费博士称，它包含的能量相当于16万千瓦时。这是美国5000户普通家庭一天消耗的电量。
龙卷风能够产生更具破坏性的能量。2011年5月22日那场摧毁密苏里州乔普林的异乎寻常的5级龙卷风，可能风速高达每小时200英里(320公里)。谢尔费表示，据估计它蕴含的能量可能是袭击哈里斯堡的那场龙卷风的2倍。龙卷风的强度与它的直径有关。暴风雨预测中心的格雷格-卡尔斌说，过去20年间发生的龙卷风，其平均直径只有100码(91米)。其中一个例子是1999年在德克萨斯州坦比科郊外着陆的一场龙卷风。这场龙卷风未造成任何伤亡，也未造成经济损失。与之相比，典型龙卷风的直径通常有300英里(483公里)。
6.巨型海啸

巨型海啸
2011年3月11日，巨大的水墙推进到日本岩手县东北地区的宫古。在距离日本仙台这座城市东部大约80英里(129公里)处发生的大地震引发的巨型海啸，彻底摧毁了这个岛国东部沿海的很多城市。二战结束时在日本上空爆炸的原子弹的破坏性根本无法与之相比，尤其是海啸引发的大洪水摧毁了日本福岛第一核电站的备用制冷系统，引发级别仅次于1986年乌克兰发生的切尔诺贝利核事故的核危机。
据地质流体动力学专家、伊利诺斯大学的地质学家苏珊-基弗儿说，这场海啸释放的能量事实上远远超过了1945年轰炸广岛和长崎的原子弹的破坏力。这次海啸蕴含的能量可能也超过了一兆吨黄色炸药发生爆炸释放的能量，大约相当于两颗轰炸日本的原子弹的总能量的28倍。不过基弗儿称，也许它的破坏性更加强大，可能是10兆吨或者相当于两颗原子弹释放能量的280倍。这种差异主要取决于海啸持续的时间长短，据她估计，海啸持续的时间在100秒到1000秒之间。
在最上限时，海啸蕴含的能量相当于690万桶原油，或者相当于日本每天消耗的总石油的50%。这种评估结果还考虑了波浪的速度，据基弗儿估计，海浪的速度大约是每秒220米，30分钟抵达海岸线。她利用海浪估计开阔海域的浪高是7米，并估计波浪的长度大约是800英里(1300公里)，或者相当于本州岛海岸线长度的一半。

7.有力的海浪

有力的海浪
美国电力研究所(EPRI)的一项分析发现，不断冲击阿拉斯加州太平洋海岸大陆架的波浪每年蕴含1360太瓦时能量。这相当于日本每年的电流总产量的40%，大约相当于美国电流需求量的三分之一。阿拉斯加州的太平洋海岸线拥有的可利用波能比美国所有其他海岸线的总和更多。这是因为它是美国最大的海岸线，从阿留申群岛一直延伸到威尔士王子岛及其狭长地带。但是除此以外阿拉斯加近海还能获得能量，因为这片海域被海洋学家称之为“浪区”，海风在开阔水域形成的波浪不断拍击这个美国最后边疆(last frontier)。美国电力研究所用来研究波浪强度的浮标得出的数字是阿拉斯加州近海每米平均高5.2万瓦特，大约是美国南大西洋近海最大读数的7倍。
当然，要想捕获所有能量并非易事。独立的非营利组织美国电力研究所根据当前的设计学状况，分析了从技术上来说能够捕获多少能量。波浪发电这项商业技术目前还未被广泛应用，不过已经有一些商用波浪能转化装置原型机被采用。他们通过漂浮或者浮标系统进行的这项研究工作，利用大洋涌浪的升、降驱动液压泵。如果波浪太过剧烈，或者是太微弱，这些装置就将无法工作，而且它们需要被布置在最合理的位置。也就是说，在阿拉斯加州近海能够发挥最大作用的波浪能转化器，将与在乔治亚近海工作效率最高的装置不太一样。
考虑到这项技术的局限性，美国电力研究所的科学家得出结论，最终只有大约29%的阿拉斯加州大陆架外缘波浪能和46%的内部大陆架的波浪能能够被人类捕获到。与之相比，美国东海岸南部地区大约有67%的内部大陆架波浪能和78%的大陆架外缘波浪能可以利用当前技术捕获到。即便如此，阿拉斯加州的波浪资源仍非常庞大，从技术上来说可以捕获的能量比大西洋南部近海的多15倍。
但是美国电力研究所的水力项目经理保罗-雅各布森指出，从技术上来说能够捕获的能量并不一定就是“实际”可捕获能量。很多地区可能都是未来波浪能项目禁止入内的区域，这是因为它们不是海洋航路、渔区，就是因为环境非常脆弱，或者该海域的海洋生命会被波浪能收集装置抑或它们的系泊处摧毁。如何淹没和安装输电线，把从海洋收集到的能量输送出去，为人所用的问题也很重要。
8.难以控制的野火

难以控制的野火
1988年，美国黄石国家公园里浓烟滚滚、火光四起。大量较小的火苗导致大约80万公顷土地被烧或者部分被烧，该公园超过三分之一受到影响。罗彻斯特理工学院的副教授鲍勃-克莱门斯从事野火研究，据他说，大部分破坏涉及到巨大的能量——野火持续71天，这期间产生大约779亿兆焦能量。这是2200兆瓦时，相当于加利福尼亚州和俄勒冈州在一个月内产生的电能之和。克莱门斯与美国农业部林务局研究与发展部的米苏拉消防科学实验室合作，该部已经为计算森林大火的蔓延速度和能量释放率提供了数据和公式。
该实验室研究并绘制了美国荒地、它们的生态、它们与野火的关系，以及它们的燃烧潜能的图表。这个机构的项目经理科林-哈代说，科学家还利用世界上最大的控制风洞和燃烧室进行实验，研究不同类型的植被和其他燃料燃烧产生的能量。这些数据有助于引导“野火行为分析师”评估野火燃烧的速度和方向，以及哪些资源存在被烧危险。相同的数据对预警系统做出了巨大贡献，它通过烟熏熊标志(Smokey Bear sign)和从绿(低)到红(高)的颜色，提醒土地管理者和游客哪些区域存在发生森林大火的风险。(孝文)