第三章 沙漠氣候 林雨莊編譯
為什麼整個亞熱帶都有沙漠帶
赤道地區氣候溫暖濕潤。除了被清除的地方，茂密的森林覆蓋著低地，向上延伸到山坡，直到到達空氣對他們來說太冷的高地。赤道和熱帶之間的大部分陸地都經歷這種氣候，但在亞熱帶，北回歸線和摩羯座的兩邊，氣候是不同的。那是沙漠環繞地球的地方。在北半球，撒哈拉沙漠、阿拉伯沙漠、塔爾沙漠或大印第安人沙漠位於或接近北回歸線，卡拉哈裡沙漠和澳洲沙漠位於南半球摩羯座的北回歸線上。
溫暖潮濕的赤道氣候和亞熱帶沙漠的炎熱乾燥氣候相輔相成。這兩種情況都是由於太陽在赤道上空的光照比在世界其他任何地方都要強烈。奇怪的是，沙漠也是赤道沿岸海洋多於陸地的結果。
在一個溫暖的日子站在戶外，你會感受到陽光照射在你身上的溫暖。你感覺到的是輻射熱，這是一種電磁輻射，類似於可見光，但在我們的眼睛看不見的波長。在這個波長下，空氣對輻射幾乎完全透明。陽光穿過它，幾乎不影響它。然而，更堅固的物體，如我們的身體和陸地和水面，對它來說是不透明的。它們吸收陽光，使它們溫暖。你感覺不到，但是當陽光溫暖你的皮膚時，一些溫暖會傳遞到接觸你皮膚的空氣層。當空氣變暖和時，它會膨脹，密度變小。然後它從你身邊升起，密度更高，溫度更低的空氣佔據了它的位置。太陽通過輻射使你變暖，你通過對流的過程使空氣變暖。你的身體就像一個暖氣片，吸收熱量，然後用它加熱空氣。
地球的行為方式完全相同，但規模要大得多。它的陸地和水面吸收陽光，它們的溫度上升，並與它們接觸使空氣變暖。然後，溫暖的空氣上升，通過對流將太陽的熱量分配出去。
這是潮濕的空氣。赤道周圍有比陸地更多的海洋可供陽光溫暖，隨著水的變暖，它的分子開始掙脫並進入空氣中。水蒸發，水蒸氣在熱空氣中上升。當它上升時，空氣變冷，水蒸氣凝結成巨大的雲。這些雲層產生的雨水使該地區氣候濕潤。
在很高的天空中，上升的空氣逐漸變平，並從赤道向北和向南移動。當它到達兩個熱帶的緯度時，空氣會遇到朝相反方向運動的空氣，朝向赤道。赤道的空氣會從赤道的背面流到另一個地方，使空氣從赤道的背面流走。空氣在赤道上空上升，離開赤道，在熱帶地區下沉，然後返回赤道，形成一個對流單元。它是整個大氣運動的一部分，它將熱量從赤道傳遞到兩極。這個過程被稱為大氣環流。
在高空離開赤道的空氣非常寒冷和乾燥。它很冷，因為當空氣上升時，它的溫度就會下降。隨著空氣變冷，它保存水蒸氣的能力降低。這就是雲形成的原因，也是高空空氣如此乾燥的原因：它在上升過程中失去了水分。
當它再次下沉時，空氣變得更熱；這種溫度變化被稱為絕熱的。空氣下降時變暖的速度快於上升到赤道上空時的冷卻速度。這是因為上升的濕空氣以飽和絕熱遞減率冷卻，平均每300米下降6°C，但下沉的乾空氣以每300米下降9.8°C的乾燥絕熱遞減率升溫。當空氣到達地面時，已經很暖和了。它仍然非常乾燥，而且隨著溫度的升高，它保持水蒸氣的能力也在增加。因此，沙漠空氣可以吸收大量的水分而不產生雲。
下沉的空氣在地表產生高氣壓，在亞熱帶地區有永久性的高壓區域。空氣從高壓區向外流動，在這種情況下，這是大氣環流的一部分，向外流動阻礙了沙漠以外的空氣進入。進入的空氣可能帶來濕氣，因此高壓是保持亞熱帶沙漠乾燥的另一個因素。
大氣環流
北回歸線的北回歸線和南回歸線標誌著環繞地球的地帶的邊界，在那裡一年中至少有一天太陽直接在頭頂上。北極圈和南極圈標誌著一年中至少有一天太陽不會升到地平線以上，一年中至少有一天太陽不會沉到地平線以下。
如果太陽在正上方，一束陽光照射的區域要比太陽在天空中低角度照射的區域小得多。兩種情況下的能量是相同的，但是能量在太陽正下方的面積比太陽低的時候要小。這就是為什麼熱帶地區比地球上任何其他地方都更熱，而落在地表上的熱量隨著離赤道距離的增加(緯度的增加)而減少。
太陽在赤道的照射比其他任何地方都強烈，但空氣運動會將部分熱量從赤道轉移出去。在赤道附近，溫暖的地球表面加熱與它接觸的空氣。暖空氣上升直到接近對流層頂，對流層頂是大氣最低層(troposphere)和上面的層(平流層)之間的邊界，在那裡氣溫隨高度的增加而保持不變。對流層頂的高度約為16公里，在這個高度上，空氣離開赤道，有些向北，有些向南。當它上升時，空氣變冷，因此遠離赤道的高空空氣非常寒冷，大約為-65°C。
赤道上的空氣在北緯30°和南緯附近下沉，下沉時再次變暖。當它到達地表時，它又熱又乾，所以它溫暖了這個地區，產生了亞熱帶沙漠。在表面，空氣分裂。有時被稱為馬緯度，這是一個輕風，變化無常或完全沒有風的地區。大部分的空氣回流到赤道，有些則離開赤道。赤道南北的空氣在熱帶輻合帶(ITCZ)匯合，在1735年英國氣象學家喬治·哈德利(George Hadley)之後，這種環流形成了一組稱為哈德利的垂直環流。
在兩極上空，空氣很冷。它會下沉，當它到達地面時，就會從兩極流走。在大約北緯50-60°N和南緯，遠離兩極的空氣在極地鋒與遠離赤道的空氣相遇。彙聚的空氣上升到對流層頂，在這些緯度上大約離地表11公里。一些流回兩極，形成極地環流，另一些流向赤道，完成了費雷爾環流，1856年由美國氣候學家威廉費雷爾發現。
暖空氣在赤道上升，在亞熱帶下沉到地表，在低層流動到大約55°的緯度，然後上升繼續向兩極移動。與此同時，兩極下沉的冷空氣又回流到赤道。下圖顯示了這種環流如何在每個半球產生三組垂直細胞。它被稱為大氣環流的“三單元模型”。
如果沒有這種熱量的再分配，赤道的天氣會比現在熱得多，兩極的天氣也會更冷。
大氣環流。溫暖的空氣在赤道上空上升，在高空遠離赤道，在熱帶地區下沉；在那裡，它分裂，一些流向赤道，另一些從赤道流出。這形成了一系列的哈德利環流。冷空氣在極地上空下沉，並在低層遠離兩極。這形成了一系列的極地環流。空氣在從熱帶流出的哈德利環流空氣與流向赤道的極地環流空氣相遇的地方升起。空氣在高空向赤道流動，在那裡下降，與高空的極地環流空氣相遇。這形成了一系列的費雷爾環流。
絕熱冷暖
空氣被上面空氣的重量壓縮。想像一下，一個氣球用空氣部分充氣，用一些失重的物質把裡面的空氣完全隔絕。不管氣球外面的溫度如何，裡面空氣的溫度都是一樣的。
想像一下氣球被釋放到大氣中。內部的空氣被擠壓在它上面的空氣重量之間，一直到大氣層的頂部，和它下面密度更大的空氣之間。
假設氣球內的空氣密度小於上面的空氣密度。密度更大的空氣會在它下面推動，氣球就會上升。當它上升時，到大氣層頂部的距離變小，所以上面能壓在氣球上的空氣就少了。同時，當氣球在密度較低的空氣中移動時，它所承受的來自下方的壓力也會減小。這會導致氣球中的空氣膨脹。
當空氣(或任何其他氣體)膨脹時，其分子會離得更遠。空氣量保持不變，但它所占的體積更大。當它們分開時，這些分子必須“推開”其他分子。這需要能量，所以當空氣膨脹時，它的分子就會損失能量。因為它們的能量比較少，所以移動得比較慢。
當一個移動的分子撞擊某物時，它的一部分能量被轉移到它所撞擊的物體上，而其中一部分能量轉化為熱。這會使被撞擊物體的溫度升高一個與撞擊它的分子數量和它們的速度有關的量。
在膨脹的空氣中，分子之間的距離越來越遠，因此每秒鐘撞擊一個物體的分子數量就會減少。它們的移動速度也比較慢，所以它們的打擊力更小。這意味著空氣溫度降低。當它膨脹時，空氣冷卻。
如果氣球裡的空氣比下面的空氣密度大，它就會下沉。當它下沉時，空氣的壓力會增加，空氣的體積會減少，空氣中的分子會獲得更多的能量。它的溫度會升高。
這種升溫和降溫與氣球周圍空氣的溫度無關。它被稱為絕熱加熱和冷卻，來自希臘語意思是“不可通過”，這意味著空氣被一個假想的束縛環所包圍，熱量無法通過它傳遞。
海洋環流和邊界流
許多沙漠位於大陸的西部。北美沙漠、南美洲的阿塔卡馬和南部非洲的納米布沙漠就是例子。這些西海岸沙漠是乾燥的，因為就在近海有洋流攜帶著冷水。與冷水接觸會降低表面附近空氣層的溫度，而表層的冷空氣和稠密空氣使空氣高度穩定。沒有空氣上升，因此沒有水蒸氣能夠凝結成雲，從而產生降雨。
洋流是由盛行風驅動的，在每一個海洋中，它們都沿著近似圓形的路徑，稱為環流。北半球的漩渦是順時針的，南半球是逆時針的。因為它們是圍繞著海洋盆地的外緣流動的，所以靠近並平行於大陸海岸流動的洋流被稱為邊界流。兩個半球的西部邊界流將溫暖的水帶向兩極。它們通常很深，很窄，流動很快。東部邊界流將冷水帶向赤道。它們既寬又淺，移動緩慢。沙漠出現在西部海岸，因為它們的氣候受附近的東部邊界流的影響。
在南太平洋，南赤道洋流在東南信風的驅動下由東向西移動。當它接近印尼和澳洲時，它轉向向南流動，作為溫暖的東澳洲洋流經過澳洲。當它離開熱帶時，海流進入盛行風來自西部的區域，並加入西風漂移，即南極繞極流。這是世界上唯一一股不受干擾的洋流。它之所以能夠這樣做，是因為它的路徑中沒有任何東西可以使它偏轉。
儘管西風漂流在世界各地傳播，從西向東，但在每一個南部大陸，都有一部分氣流被分流。在南太平洋，這一段洋流與南美洲海岸平行向北流動，稱為秘魯洋流，也稱洪堡海流。秘魯洋流的冷水產生穩定的空氣，使阿塔卡馬河的氣候極其乾燥。秘魯洋流在信風的影響下向西流動。它又變成了南赤道洋流。
北太平洋環流產生了北美洲沙漠，開始於北赤道洋流向西流動。當它接近亞洲時，它轉向向北流動，西方邊界流經過日本，成為溫暖的黑潮流。隨著北太平洋洋流繼續轉向並向東穿過海洋。當它接近北美時，它轉向南部，然後與海岸平行流動，形成涼爽的加利福尼亞洋流，即東部邊界流。
在南大西洋，向西流動的南赤道海流轉為向南流經南美洲海岸，成為溫暖的巴西洋流。它加入了西風漂流，當它接近非洲時，這股向東流動的水流部分向北分流，與海岸平行，形成一個東部邊界流。這是與納米布沙漠有關的冷本格拉海流，它重新加入南赤道洋流。
北大西洋環流始於北赤道洋流(向西流動)。當它接近加勒比海和中美洲時，它變成了安的列斯海流，然後又變成了佛羅里達海流，然後從墨西哥灣轉向北部，成為墨西哥灣流。墨西哥灣流分流，其中一段繼續向西北方向流動，即北大西洋洋流，也稱為北大西洋漂流，另一段則作為涼爽的金絲雀流向南流動，給大西洋撒哈拉帶來乾燥條件。
印度洋橫跨赤道，有兩個更複雜的漩渦。南部環流包括沿非洲海岸流動的溫暖的阿古拉斯海流和涼爽的西澳洲洋流。上面的地圖顯示了漩渦，以及主要洋流的名稱。
全球洋流 所有海洋中的表面洋流都沿著近似圓形的路徑，稱為環流，但每個環流的不同部分，洋流的名稱有所不同。地圖上顯示了洋流的名稱。
失效率和穩定性
氣溫隨高度的增加而降低(或下降)。這樣做的速率稱為失效率。儘管所有的空氣都含有一些水蒸氣，但那些沒有被水分吸收的空氣，所有的水分都是以蒸汽的形式存在的，而不是液滴或冰晶。當乾燥空氣絕熱冷卻時，每上升300公尺的溫度為9.8°C。這就是所謂的幹絕熱遞減率(DALR)。
當上升的空氣溫度下降到足夠的程度時，它的水蒸氣就會開始凝結成水滴。冷凝開始於露點溫度，達到該溫度的高度稱為提升冷凝水準。凝結水釋放潛熱，使空氣變暖。潛熱是當液態水蒸發或冰融化時，使水分子彼此分離的能量。它不會改變水或冰的溫度，這就是為什麼它被稱為潛熱，意思是“隱藏的”。當水蒸氣凝結和液態水結冰時，釋放出的潛熱相同，使周圍環境變暖。因此，上升的空氣冷卻速度較慢，稱為飽和絕熱遞減率(SALR)。SALR根據冷凝速度而變化，但平均每300公尺的溫度為6°C。
在空氣中溫度隨高度而降低的實際速率稱為環境衰減率(ELR)。它是通過比較地表溫度、對流層頂溫度(赤道約為-65°C)和對流層頂高度(赤道上空約16公里處)來計算的。
如果ELR小於DALR和SALR，上升的空氣將比周圍的空氣冷卻得更快，因此它將始終較冷，並傾向於下沉到較低的高度。這種空氣據說是絕對穩定的。
如果ELR大於SALR，在DALR和稍後在SALR上升和冷卻的空氣將始終比周圍的空氣更熱。因此，它將繼續上升。空氣是絕對不穩定的。
如果ELR小於DALR但大於SALR，則上升空氣在保持乾燥的同時比周圍空氣冷卻得快，但一旦上升到提升冷凝水準以上，則冷卻速度會更慢。一開始它是穩定的，但是超過凝結水的提升高度，它就變得不穩定了。據說這種空氣有條件地不穩定。它是穩定的，除非滿足一個條件(上升到它的凝結水平以上)，因此它變得不穩定。
穩定的空氣帶來穩定的天氣。不穩定的空氣會產生積雲。這些雲的底部是在上升的凝結水平，而雲頂在上升的空氣已經失去足夠的水蒸氣使其再次乾燥的高度，因此在DALR處冷卻。然而，如果空氣足夠不穩定，這些雲會發展成高聳的積雨雲。赤道空氣通常不穩定。
空氣穩定性。如果環境遞減率(ELR)小於乾(DALR)和飽和(SALR)的遞減率，則空氣是穩定的。如果ELR小於DALR和SALR，則空氣絕對不穩定。如果ELR小於DALR，但大於SALR，則空氣條件不穩定。
季風
儘管與撒哈拉沙漠處於同一緯度，但印度中部和南部以及南亞並不是沙漠。他們冬天很少下雨，但夏天雨量很大。他們的氣候是季節性極端之一。“季節”的阿拉伯語單詞，它可能給了我們用來描述這些季節的名稱。我們稱之為季風。
冬季風乾燥，夏季風潮濕。10月至5月間，印度孟買平均降雨量為104mm。6月至9月期間，該市平均接收到1707mm。西非的部分地區、巴西東北部和美國南部的內陸地區也經歷了季風季節。夏季乾燥，冬季潮濕，但沒有地方能與南亞極端的氣候相媲美。
季風是由於陸地的升溫和冷卻比海洋快得多。它們只發生在熱帶和亞熱帶地區，因為它們需要強烈的地表變暖。它們也只發生在大面積的環境中，因為它們需要靠近海洋的大片陸地區域來產生合適的大氣條件。
冬天土地很快變涼。當溫度下降時，下層空氣也會變冷。空氣變得稠密，隨著冷空氣的下沉，表面壓力增加。下沉的空氣是乾燥的，它從高壓區流出，在陸地上造成非常乾燥的天氣。海洋的冷卻速度要慢得多，因此直到冬天的晚些時候，它仍然比陸地溫暖。空氣上升到海洋上空，失去了它的水分，然後被帶到高海拔的陸地上，在那裡下沉。因此，冬季是乾燥的風從陸地吹向海洋的季節。它們產生乾燥的冬季季風。
到了夏天，情況就反過來了。陸地比海洋變暖得快。溫暖的空氣在陸地上升起，但是在海洋上空，空氣仍然很冷，而且會下沉。空氣的流動是反向的，乾燥的空氣在高空從陸地流向海洋，潮濕的空氣在低空從海洋流向陸地。潮濕的空氣在穿越海岸和內陸高地時上升。這使得它非常不穩定。巨大的雲層形成並產生猛烈的風暴和暴雨。
受喜馬拉雅山脈和青藏高原的影響，印度季風加劇。在中亞和西藏，冬季氣溫降得非常低。它產生的高壓不會對空氣產生很大的影響，但它是由氣流向喜馬拉雅山北部下沉的空氣供給的。從亞洲高壓區向南流動的空氣，在穿越喜馬拉雅山時，會失去所攜帶的任何水分。當它到達印度時，已經非常乾燥了。它的溫度隨著從山上下降而升高。印度上空的盛行風是信風，從東北吹來。這些加強了從山上下來的空氣流動。
春天，隨著陸地變暖，空氣通過對流上升，並出現零星的風暴。此時熱帶輻合帶正向北移動。ITCZ是北半球東北信風和南半球東南信風交匯的地帶。ITCZ最終在喜馬拉雅山脈南緣停下。然後印度上空的風從西南吹來，從阿拉伯海和夏季風帶來空氣。
春天是炎熱的季節。內陸溫度上升到32°C以上。在巴基斯坦的雅各巴德，5月份白天的平均溫度為44°C，已知其達到51°C。隨著ITCZ向北移動，信風減弱，空氣變得靜止。雨一到，雨就突然來了。雲層已經形成了一段時間，直到出現“季風爆發”，天空開放，出現洪水。季風開始於東南部，5月初到達中國南部，並向西北方向推進，7月到達巴基斯坦。
氣團、鋒面和急流
大陸或海洋上空的空氣具有相當統一的特徵。一段時間後，任何海拔高度的溫度、壓力和濕度都幾乎相同。
這聽起來很明顯，但直到20世紀初，這一事實的含義才被揭開。1917年，一位名叫Vilhelm Bjerknes(的挪威物理學家和氣象學家離開了他曾經擔任過教授的德國萊比錫大學，回到挪威，成立了貝根地球物理研究所並擔任主任。他召集了一群有才華的科學家，他們在挪威各地建立了氣象站網路。氣象站向貝根報告了他們的測量和觀測結果，在那裡，比爾克內斯和他的團隊收集了這些資料，製作了大面積大氣狀況的圖片。科學家們發現，大面積空氣的特徵在任何地方都是相似的，但它們與其他地方的空氣特徵有著根本的不同。他們把大而均勻的空氣稱為氣團。
氣團被命名來描述它們。第一種劃分是大陸空氣(縮寫為c)和海洋空氣(m)，前者是乾燥的，後者是潮濕的。根據氣團形成的緯度，這些劃分被進一步限定為北極(A)、極地(P)、熱帶(T)和赤道(E)。然後將這些名稱組合起來，給出了大陸北極(cA)、大陸極地(cP)、大陸熱帶(cT)、海洋北極(mA)、海洋極地(mP)、海洋熱帶(mT)和海洋赤道(mE)。沒有持續的赤道空氣，因為海洋覆蓋了大部分赤道地區。
貝根的科學家們還發現，儘管不同的氣團在移動，但它們並不容易與另一個空氣團混合。一個空氣團比與其相鄰的空氣團更冷，密度也更高，而不是混合，而是熱空氣在冷空氣上方飛行。當比爾克內斯和他的同事發現這些發現時，正值戰時，報紙上充斥著關於戰爭的報導。在挪威科學家看來，氣團有點像敵對的軍隊，氣團相遇並互相鬥爭的白羊座就像前線，因此他們稱之為前線。這是我們仍然使用的名字。
氣團運動，當它們運動時，它們的特性也會改變。例如，大陸的空氣在穿過海洋時會聚集濕氣，而海洋空氣在穿過大陸時會失去水分。在盛行風的作用下，氣團沿著與赤道大致平行的軌道運動，因此空氣品質特性的變化對空氣所攜帶的水分的影響要比其溫度大得多。正面是以它們後面的空氣命名的。如果鋒面經過後空氣變暖和，那就是暖鋒。如果空氣經過後變冷了，那就是冷鋒。
電視和報紙上的天氣圖顯示了地面鋒面的位置，用標準符號來表示暖鋒的紅色半圓和冷鋒的藍色三角形。冷鋒比暖鋒傳播得快。因此，冷空氣傾向於推動暖空氣下方，使其從地面升起。一旦暖空氣開始上升，兩條鋒面就開始合併。他們被稱為閉塞或形成閉塞，象徵著交替的半圓形和三角形。最終，冷空氣把所有的暖空氣帶離地面。然後鋒面和任何與之相關的天氣都會消失。
在中緯度地區，鋒面天氣系統通常會彼此跟隨，從西向東移動。它們是沿著極地鋒產生的。這是熱帶和極地空氣之間的鋒面，形成極地和費德環流的交匯處。
鋒面系統的移動是因為它們跟隨波-南北起伏沿著極地鋒移動，強風或極地急流，在對流層頂下方的鋒面頂部吹來。急流是一條100-500公里寬的帶狀風，通常以超過200公里/小時的速度刮來，偶爾也會達到500公里/小時的速度。這股急流是由於極地鋒面上溫度的巨大差異造成的。它從西向東吹向兩個半球。北半球極地急流夏季向北移動，冬季向南退縮。它通常在夏季約50°N，冬季在40°N左右，但有時移動更遠。它的總射程在30°N到70°N之間。由於急流是熱帶和極地空氣溫度對比的結果，它在冬季最強，同時也是它產生的天氣系統最明顯的時候。
噴射流遵循波浪狀的路線，不時地波浪變大，向赤道延伸，形成波谷，向兩極延伸，如圖所示。槽帶來極地空氣和低氣壓，寒冷潮濕的天氣，以南地區亞利桑那州和新墨西哥州。山脊攜帶著熱帶空氣，有著高壓和溫暖的天氣，一直向北延伸到阿拉斯加。脊和槽有時會保持靜止數天或數周，產生長時間的晴天或潮濕、炎熱或寒冷的天氣。
橫貫北美的急流中的脊和槽。低谷是急流向南突出的區域。山脊是急流向北延伸的區域。
比熱容
當一種物質被加熱時，它吸收熱能，它的溫度升高。然而，為了使溫度升高一度，它必須吸收的熱量因物質而異。施加在一種物質上的熱量與它的溫度升高程度的比值，稱為該物質的比熱容。它以每克每攝氏度的卡路里(cal/g/°C)或科學單位焦耳每克開爾文(J/g/K；1K=1°C=1.8°F)為單位。比熱容隨溫度的變化很小，所以在引用某一條款的比熱容時，通常要指明所指的溫度或溫度範圍。
純水在15°C下的比熱容為1 cal/g/°C。這意味著，在15°C的溫度下，一克水必須吸收1卡路里的熱量，才能使其溫度升高1攝氏度。17°C下的海水比熱容為0.94 cal/g/°C。
沙漠表面由花崗岩和沙子組成。在20°C和100°C之間的溫度下，花崗岩的比熱容為0.19–0.20 cal/g/°C。在相同溫度範圍內，砂的比熱容為0.20cal/g/°C。這些值是大多數岩石類型的典型值。
水的比熱容大約是岩石的五倍。這意味著水必須吸收比岩石多5倍的熱量才能產生類似的溫度上升。這就是為什麼水的升溫比沙子和岩石慢得多。在一個真正炎熱的夏天去海灘遊玩，到了午餐時間，沙灘會很熱，你必須跑過去以免傷到你的赤腳，但是當你濺到水裡時，它是令人耳目一新的涼爽。其原因是水和沙子的比熱容不同。
沙漠中岩石和沙子的比熱容很低，升溫很快。到了中午，地面變得非常熱。比熱容量是雙向的：快速加熱的物質也會迅速冷卻。對吸收的熱量作出快速反應的分子結構也確保了一旦外部供應停止，熱量就不能長期保留。
地面向天空輻射熱量。如果有雲的話，它們會吸收大量的熱量並重新輻射出去，有效地吸收熱量並保持空氣溫暖。但是沙漠的天空無雲，所以熱量會散失到太空中。
白天，沙漠的岩石和沙子吸收太陽的熱量。它們的溫度升高，當溫度升高時，它們將能量重新輻射到天空中，但同時它們繼續吸收太陽輻射。在午後，岩石和岩石之間的能量保持穩定的上升，這使它們在下午保持能量平衡。然後，當太陽向地平線下沉時，平衡開始改變。來自地表的輻射保持不變，但吸收的太陽能較少。表面開始冷卻，但一開始很慢。一旦太陽沉到地平線以下，黑暗降臨，沙漠就不再有陽光可供吸收，但它的輻射仍在繼續。隨後，地表溫度驟降。沙漠的夜晚很冷。有時候他們真的很冷。
為什麼南極洲比北極冷
沃斯托克(Vostok)是俄羅斯在南極洲的一個研究站的名稱，位於南緯78.75°處。卡納亞克(Qanaaq)是格陵蘭島北部的一個小鎮，位於北緯76.55°處。
它們的緯度相當，但氣候卻截然不同。在南極沃斯托克，一月是最暖和的月份，平均氣溫為-32°C。8月平均氣溫-55°C。在卡納亞克，平均氣溫從7月份最高的8°C到2月份的最低–29°C不等。
儘管有雪和冰，兩個地方都很乾燥。卡納亞克的年降雨量為64mm。當然，冬天的降雨量是雪，但為了使測量標準化，它被轉換成等量的降雨量。沃斯托克有4.5mm。
兩者的溫度範圍相似：南極沃斯托克為36°C，格陵蘭卡納亞克為37°C。不同的是，南極比北極冷得多。這是因為卡納阿克位於海岸線上，儘管一年中大部分時間都處於冰凍狀態，而沃斯托克位於一個大大陸的內部。北極位於北冰洋，北極盆地是海洋，被歐亞大陸、北美和格陵蘭島包圍。
南極洲東面覆蓋著一塊大冰蓋，東極洲就在那裡。下沉到南極永久高壓區的空氣以極冷極幹的風的形式向外流動，幾乎不停地吹。再加上它的海拔高度是3475米，在厚厚的冰層之上，正是它寒冷乾燥的氣候。
南極洲冬季所受的太陽輻射也比北極冬季少7%。這是因為地球圍繞太陽的軌道不是圓形的，而是略為橢圓的，而且太陽並不在軌道的中心。6月4日，在南半球的冬季中期，地球距離太陽遠日點最遠。它最接近太陽近日點，大約在1月4日，在北半球的冬季中期。
卡納亞克位於海平面，但其海拔高度並不是其氣候變暖的主要原因。因為大海，天氣暖和了。洋流把溫暖的水帶入北極盆地。海洋在一年中的大部分時間裡都是冰凍的，但是在冰上有一個叫做鉛的縫隙，它們出現和消失。風使冰移動，有些地方堆積起來，有些地方變薄。熱量從海洋中逸出，那裡有開闊的水面，但冰將其覆蓋的區域隔離。海水溫度永遠不會低於-1.6°C；低於該溫度，水將接近其最大密度，並下沉到更溫暖的水下，而溫水會流入地表以取代海水。當水面上的空氣溫度降到海面溫度以下時，熱量就從水中傳到空氣中。然後，這些溫暖的空氣穿過冰層。因此，整個北極盆地的空氣溫度比冰下有陸地而不是海洋時要高得多。北極冰面上有記錄以來最冷的溫度是-50°C，在盆地的大部分地區，平均溫度在大約-20°C和-40°C之間。1983年7月21日，南極沃斯托克的溫度下降到-89.2°C。
為什麼炎熱的沙漠在晚上很冷
日出後不久，氣溫開始上升。然而，在位於撒哈拉沙漠中心的阿爾及利亞薩拉赫，那裡的年平均降雨量只有17mm，夜晚可能很冷。薩拉赫位於北緯27.2°N，幾乎在熱帶地區，然而在12月到2月之間，夜間氣溫偶爾會降到零度以下。新疆吐魯番也是位於沙漠區，著名的白天熱如火爐，夜晚冷如冰窖。
隨著早晨的到來，氣溫繼續升高。到了下午中旬，天氣已經達到了最高點，而且很熱。即使在冬季12月中旬和1月，撒哈拉沙漠薩拉赫的溫度也達到31°C。七月是最熱的月份，下午的平均氣溫為45°C，最高可達50°C。夜間溫度降至平均28°C，有時降至23°C。
加州死亡谷位於北緯36.47°N的加州莫哈韋沙漠，經歷了更為極端的溫度。
7月的平均最高氣溫為47°C，但記錄到57°C。一月份，平均最低氣溫為3°C，但已知會降至-9°C。
毫不奇怪，撒哈拉沙漠和其他亞熱帶沙漠是炎熱的地方，尤其是在夏天。令人驚訝的是，氣溫在夜間下降了這麼遠。在一年中每個月的24小時內，薩拉赫和加州死亡谷的平均溫度都會變化14-17°C。
溫度總是在遠離地面的空氣中測量。空氣通過與地面接觸而加熱，因此空氣溫度的日變化反映了地面溫度的變化。即使在美國北部，夏日午後的沙灘也會熱到燙傷你的腳。在撒哈拉沙漠，到了夏天下午4點左右，沙子的溫度可以達到77攝氏度。
沙漠表面是由岩石或沙子構成的，沙子是簡單的風化岩石。岩石和沙子迅速升溫。從技術上講，在溫度開始升高之前，它們只需要吸收少量的熱量。據說它們的比熱容很低。水的比熱容高得多，所以升溫慢得多。這就是為什麼海灘旁邊的海或湖總是一個涼爽的地方，即使在最熱的天氣。在晚上，地面失去熱量就像白天吸收熱量一樣容易。它冷卻得很快，不像水那樣冷卻得很慢。這就是為什麼沙漠白天這麼熱，而在黎明前一個小時，氣溫最低時，沙漠就變得更冷，甚至更冷。
水的高比熱容緩和了海岸附近的極端溫度。當陸地變暖時，其上方的空氣上升，並被水面上方的冷空氣所取代。這是一種海風或湖風，它在下午吹得最猛烈，當陸地溫度達到最高時，會帶來涼爽的空氣。在地中海沿岸的阿爾及爾，平均溫度範圍為5-8°C，是薩拉赫的一半。夏季阿爾及爾的平均溫度達到29攝氏度，即使在冬季最冷的夜晚，氣溫也不會低於冰點。
為什麼產生冰原的氣候如此乾燥
格陵蘭島和南極洲都被埋在厚度超過1.6公里的冰層之下，然而，儘管存在著海水環繞的調節，格陵蘭島和南極洲內陸的氣候都比除最乾旱的沙漠以外的所有地區都更加乾旱。就降雨量而言，他們是世界上最乾旱的地方之一。極地之所以乾燥，主要是因為那裡太冷了。空氣所能容納的水蒸氣量取決於溫度。空氣越暖和，攜帶的水分就越多。在寒冷刺骨的冬日裡，你有時會聽到人們說：“太冷了，不適合下雪。”他們是對的。極冷的空氣也非常乾燥。
極地地區由於緯度高而寒冷。即使在夏天，當太陽24小時保持在地平線以上，形成“午夜太陽之地”時，由於角度較低，太陽在天空中的位置仍然很低，而且它的溫暖在很大範圍內稀薄地散開。在冬天，有些日子太陽根本不升出地平線。
然而，這兩個極地地區並不同樣寒冷。兩者的緯度相近，接受的陽光量幾乎相等，但南極洲比格陵蘭島或北極圈內任何其他地方都要冷得多。
在夏天的一個晴朗的日子裡，在避風的地方，陽光可以感到相當溫暖，但它並不溫暖地面。高達90%的太陽輻射被雪反射。如果你在一個陽光明媚的日子下了一場新的雪，你可能需要保護你的眼睛不受眩光的影響，因為光線從白色的表面反射過來。然而，反射的不僅僅是光。熱量也會被反射，而不是被地面吸收而變暖。大多數表面反射一些落在它們身上的陽光。一個表面反射的總陽光的比例稱為該表面的反照率。下表顯示了各種表面的反照率值。它們是落在它們身上的總陽光的百分比，通常寫為小數。例如，新鮮的雪反射掉落在它上面的陽光的75-95%，所以它的反照率為75-95%，即0.75-0.95。永久的白色表面有助於確保冰冷的格陵蘭島和南極洲保持寒冷。
空氣同樣寒冷，寒冷而稠密的空氣在地表上大量存在，產生永久性的高氣壓。空氣向外流動，遠離被稱為反氣旋的高壓中心，而且，像亞熱帶反氣旋克隆體保持炎熱的沙漠乾燥一樣，從極地反氣旋流出的空氣阻止了潮濕的空氣進入。極地地區之所以乾燥，部分原因是它們位於永久性反氣旋之下。
它們之所以乾燥，僅僅是因為它們很冷。水分子是由兩個氫原子與一個氧原子結合而成，但氫原子都附著在氧原子的同一側。在液態水中，分子通過氫鍵連接在一起，氫鍵是一個分子的氫原子上的小的正電磁電荷和相鄰分子的氧原子上的負電荷之間的吸引力。水分子聚在一起，形成一個小團，不斷地分裂和再次形成，並自由地相互移動。
如果水被加熱，它的分子吸收能量，使一組分子移動得更快，單個分子的振動也更劇烈。當一個分子吸收了足夠的能量時，它會強烈地振動，使它脫離與相鄰分子的氫鍵。隨著越來越多的氫鍵斷裂，自由分子逃逸到空氣中，液態水蒸發。
水蒸氣一種看不見的氣體，不能與蒸汽混淆，蒸汽是由液態水滴組成的雲，其溫度與分散在其中的空氣溫度相同。如果空氣溫度下降，水分子所擁有的能量就會減少，移動也會更慢。如果溫度降得足夠遠，當兩個分子相遇時，它們之間可能形成氫鍵。水蒸氣會凝結成液體。
隨著溫度的持續下降，越來越多的水分子相互連接，形成雲。在低於冰點的溫度下，分子會形成冰晶。然後水滴和冰晶相互融合形成雨滴或雪花，然後從雲中墜落。降水雨雪將空氣中的水分帶走，使空氣更加乾燥。
當空氣中含有盡可能多的水蒸氣時，它被稱為飽和。即使在溫暖的空氣中，這個量也很小。當空氣溫度為30°C時，一公斤空氣能夠容納26.5 克的水蒸氣。在一個非常炎熱的日子裡，當溫度是40°C，一公斤空氣只能容納47 g的水蒸氣。格陵蘭和南極洲從來沒有這麼暖和過。這些地方的仲夏溫度更可能在冰點附近，在這個溫度下，一公斤空氣可以容納3.5克的水分。在-30°C下，一公斤空氣中的水蒸氣含量不超過0.3 g。
事實上，格陵蘭島和南極洲上空的空氣比這些數字顯示的還要乾燥，因為地表覆蓋著冰，而不是液態水。冰會直接變成蒸汽，但是它需要更多的能量來蒸發冰，而不是蒸發液態水。因此，進入冰面上方空氣的水汽比從液態表面進入的水氣要少。
為什麼沙漠是多風的地方
沙漠的空氣很少靜止。亞熱帶風橫掃熱帶沙漠。這些風是所有風中最可靠的，從北半球的東北風和南半球的東南風吹來，當它們穿過炎熱的沙漠表面時，它們失去了可能攜帶的任何水分。當它們離開沙漠時，它們非常乾燥和炎熱。
離開撒哈拉沙漠的信風被稱為哈瑪特坦風，一種炎熱、多塵、通常只有白天才會刮的強風。到了晚上它就會消失。它一年四季都在吹，但在夏季，季風吹向相反的方向，使其強度變弱，頻率降低。
哈馬坦風比信風強，因為它被來自沙漠中心的古怪克隆體的自然氣流加速。當它到達熱帶非洲時，哈馬丹非常乾燥，它會使樹葉變黃，使皮革變硬，使木材彎曲。然而，它的極度乾燥讓潮濕熱帶地區的居民松了一口氣。他們相信它可以驅走極度潮濕、壓抑的空氣，從而對健康有益。他們叫它“醫生”
卡姆辛是阿拉伯語中“五十”的意思。它也是一種幹熱的東南風的名稱，在大多數年份裡，這種風在冬季末和早春的50天內會吹過埃及和蘇丹。它是由蘇丹和北撒哈拉上空的低壓系統周圍的空氣逆時針迴圈造成的，這些低壓系統將從阿拉伯半島上空吸入空氣。幸運的是，這50天不是連續的，風很少持續超過3天。卡姆辛帶來了超過38攝氏度的溫度和如此多的灰塵，以至於汽車必須在中午使用前大燈。
從副熱帶高壓流出的空氣產生了一些沙漠風。極地反氣旋也會產生風，就像哈馬坦一樣，它們會加速，儘管原因不同。
南極洲不僅是最冷的大陸，也是海拔最高的大陸。平均海拔為2500米，南極的阿蒙森-斯科特基地海拔2837米。南極大致位於大陸的中心，也靠近極地反氣旋的中心。因此，遠離反氣旋的空氣在接近海岸和海平面時也在向下移動。向下流動的風被稱為kata batic，希臘語意思是“向下走”。除了沿著壓力梯度流動，從高到低，空氣也在重力的作用下流動，重力使其加速。在南極，平均風速為每小時22.5公里/小時，有許多平靜的日子。另一方面，在海岸附近，風平浪靜的日子很少，風速超過80公里/小時並伴有更強的陣風是很常見的。
亞熱帶沙漠的風在午後和最熱的月份最強。這是沙子和岩石表面最熱的時候。熱空氣膨脹和上升，在表面上密度更大的空氣取代了它。這使得空氣非常湍急，並產生強風。
低壓天氣系統也不時穿越沙漠。當然，它們不會帶來雨，甚至不會帶來雲，但它們確實會帶來持續時間更長的風，而且通常比白天取暖產生的風更強。
沙塵暴
撒哈拉沙漠以其沙丘和沙海而聞名，但即使在撒哈拉沙漠，也幾乎沒有超過總面積三分之二的沙子。沙丘覆蓋的面積不超過索諾蘭沙漠表面的2%。裸露的岩石、石頭和礫石覆蓋著地面。沙子不能在這些地方生存，因為風一聚集，風就把它吹走了。風吹走沙塵稱為放氣。
即使是小風也會從地面上揚起細小的灰塵，而時速19公里的風—一股足以吹樹葉和紙屑的微風，只要沙子是乾的，就會捲起中等大小的沙粒。沙漠是多風的地方，風速經常超過這個風速。
一旦空氣中，沙漠中的沙塵和細沙可以傳播很遠的距離。撒哈拉沙塵偶爾穿過大西洋，被沖到美國上空的地面上，當它被帶往北方時，它會落在芬蘭上空。沙漠沙塵是紅色的，它給雨水染色，這就是當時人們所熟知的“血雨”。在紐西蘭，來自澳洲沙漠的塵土有時會以血雨的形式落下。哈馬坦風給炎熱潮濕的熱帶地區的人們帶來了安慰，但它也使他們關閉門窗以擋塵。
在大面積的沙塵地區，強風會引起沙塵暴或沙塵暴。這種風暴有很多地方名字。例如，在撒哈拉沙漠被稱為simoom，在塔爾沙漠被稱為andhis。這是一個巨大的，旋轉的沙塵雲，由風推動。它能穿透衣服，通過衣裳和門周圍最小的縫隙進入房屋。灰塵進入耳朵、嘴巴、鼻子和眼睛，會刺激眼睛，甚至導致失明。它還降低了能見度，有時幾乎為零。1998年3月，這種由卡姆辛風驅動的風暴導致能見度低，開羅機場和蘇伊士運河關閉。
2003年7月，來自敘利亞沙漠的風沙和沙塵造成了阿富汗西部有史以來最嚴重的沙塵暴。他們填滿了水井和運河，毀壞了莊稼，污染了成千上萬人的供水。風暴從6月5日開始，一直持續到8月底，影響了57個村莊的大約12000人。多達20個村莊因為完全被埋在沙子裡而不得不被遺棄。
中國和蒙古也受到影響。來自西伯利亞的風在塔克拉瑪干和戈壁沙漠聚集沙塵。1993年5月，其中一場風暴影響了中國約110萬平方公里，毀壞了37.3萬公頃的農田，1.2萬頭牲畜死亡，4400座房屋被毀，85人死亡。2002年，亞洲沙塵暴襲擊了朝鮮半島和日本。
這種規模的沙漠風暴通常是由冷鋒引起的。當它前進時，一股冷鋒把它前面溫暖的空氣壓在下面。這會產生強烈的湍流和陣風，掀起一團沙塵，並與鋒面一起前進，就像一堵沙牆，通常有900米高。在沙塵暴期間工作是不可能的，甚至吃喝都很困難，因為沙子和灰塵污染了食物和飲料。在它接近的時候，人們躲起來等它過去。
塵暴和旋風
一場沙塵暴出現在地平線上，就像一堵高高聳立的黑牆。在它到達之前，有時間找到庇護所。塵暴要小得多。它們很少發出警告，但它們無害且壽命短。旋風可怕。他們不可預測地從地上跳下來，有能力拆除帳篷，從鉸鏈上撬開門，投擲可能傷害附近人的碎片。
沙塵暴和旋風是由於沙漠表面在一天中不均勻變暖的結果。每一個表面都反射出太陽的一些熱量。淺色的表面比深色的表面反射更多，乾燥的沙子比裸露的岩石反射更多。這意味著，覆蓋著沙子的表面比裸露的岩石表面加熱得慢，而且它在再次開始冷卻之前不會達到如此高的溫度。早上6點左右，隨著撒哈拉中部地區白天的開始，沙表面的溫度約為27°C，根據其組成，岩石表面的溫度為38–43°C。到中午，沙子的最高溫度約為63°C，但岩石持續升溫，直到下午2點左右，溫度約為79°C。到那時沙子已經開始冷卻，但是岩石直到下午5點左右才開始冷卻。
在沙漠的一部分，有些表面被沙子覆蓋，有些被裸露的岩石覆蓋，到下午中旬，岩石將明顯比沙子暖和。這是一天中最有可能發生塵暴和旋風的時候。
如果有風，而且經常有風，它會混合空氣，這樣表面溫度的差異不會產生空氣溫度的差異。然而，在一個平靜的日子裡，這種分歧確實會發展。岩石上的空氣比沙子上的空氣暖和得多。溫暖的空氣膨脹上升，冷空氣從四面八方彙聚來取代它。當地的小風從沙子吹到岩石上。
會聚的空氣不是直線運動的。在北半球，它轉向左邊，直到它以水準方向旋轉進入它想要填充的區域。然後它加入上升的空氣中，仍然呈螺旋狀。暖區上空上升的空氣隨後螺旋上升。
如果只加熱一小部分，螺旋上升的空氣將升起少量灰塵和輕質材料，如幹樹葉和紙屑。一個更大的區域將產生一個更強的螺旋，它會產生更多的灰塵和沙子，有時會達到92米的高度。
暖地面積越大，塵暴就越大。這一點似乎顯而易見，但它的風力為何也更強，可能就不那麼明顯了。加強風是由於所有旋轉體所具有的一種性質，而螺旋進入中心區域的空氣就是旋轉體。這個性質是角動量，它是守恆的。這意味著，如果角動量的一個分量發生變化，其他分量將自動調整，以確保角動量的量保持不變。
空氣被吸入中心的區域越寬，螺旋的外半徑就越大，因此，由於空氣的角動量守恆，中心的風就越強。在最大範圍內，這會產生旋風。
旋風的發展方式與塵暴一樣，但它可以上升到2公里以上，就像一個尖叫、扭曲的沙塵漏斗，看起來非常像龍捲風。不是龍捲風。它不會從大而黑的風暴雲降下，而會在一個平靜的下午從地面上升到一個完全沒有預警的晴朗藍天。它比龍捲風弱，風速很少超過每小時96公里，但它的強度足以造成危險。
旋風是短暫的，但它們經常發生在“家庭謊言”中。它們突然上升，就像突然消失一樣，但隨著一個死亡，另一個在附近升起。在它們短暫的生命中，它們在地面上不穩定地移動。當然，它們是由空氣構成的，它們所揚起的塵土和沙子使它們變得可見，但這些蒼白、尖叫的幽靈幾千年來一直嚇唬著沙漠居民。
角動量守恆
想像一個物體繞著自己的軸旋轉。你可以測量物體的品質，它所描述的圓的半徑，以及它的旋轉速度。它的旋轉速度被稱為角速度，用它在給定時間內轉動的度數來衡量。例如，地球在24小時內完成一次公轉。一個完整的轉彎需要360度，所以地球的角速度是每小時15°(360÷24=15)。角速度通常用每小時或每秒的弧度來表示。弧度是圓的兩個半徑之間的夾角，它在圓周上標出一條長度等於半徑的弧。因此圓的周長為2π弧度，1弧度=57.296°。
把這三個值相乘，這個乘積，叫做角動量，是一個常數。稱品質M，半徑R，角速度V，M��R��V=常數。M、 R和V是變數。它們可以改變，但常數必須保持不變。
這被稱為角動量守恆，它意味著如果其中一個變數發生變化，其他變數中的一個或兩個也必須改變，以使常數保持不變。沒有人需要做任何事情來實現這一點；這是完全自動的。
舞者和滑冰運動員在做旋轉時利用角動量守恆。舞蹈演員開始旋轉，雙臂完全伸開。從她身體中心(旋轉軸)到指尖的距離是她身體描述的圓圈的直徑；半徑是這個半徑的一半。然後她慢慢地把手臂向內拉到身體上。這減少了她的旋轉半徑。她已經減少了三個變數中的一個，所以其他變數中的一個或兩個必須增加才能補償。她的品質不能改變(她不能突然變重)，所以剩下的變數，角速度，必須改變。隨著旋轉半徑的減小而增大。換言之，她旋轉得更快，但除了收回手臂外，沒有做任何額外的努力。
