我國古代著名詩人蘇東坡（1037~1101）在其被貶南下之時，曾親眼目睹過龍卷風之景。他在《連雨江漲》一詩中這樣描述：“龍卷魚蝦并雨落，人随雞犬上牆眠。”
蘇東坡見到的龍卷風是雷雨雲與湖面相接形成的水龍卷。更常見的龍卷風還有陸龍卷，形成在陸地上空，小到動物、塵土，大到數木、房屋，在強大的陸龍卷的入侵之下，無一能幸免。
說起龍卷風，不得不提起太平洋東岸的美利堅合衆國。美國是世界上龍卷風最多發的國家，陸地龍卷風數目大約是全歐洲的四倍[1]。本文将從地理、氣候、龍卷風的成因、地磁場和微觀與宏觀的電荷運動等方面分析美國多發龍卷風的原因。
美國被稱為“龍卷風之鄉”，據了解，全球有80%~90%的龍卷風發生在美國，美國每年平均有多達1000多次的龍卷風[2]。在下文中，筆者将從地理、氣候、龍卷風的形成過程三個方面剖析美國多發龍卷風的原因。
1.1 地理
美國本土位于北美洲中部，南靠墨西哥灣，西臨太平洋，東瀕大西洋，海岸線22,680公裡[1]。水汽豐富，水滴因受重力作用，呈水滴型，同時因太陽光照射、分子間運動摩擦等原因，内部電子溢出，使得内外電荷分布不均。内外最高電勢差可達到+2.5V。
圖 1 水滴内部的電荷分布
豐富的水汽在空中聚集，帶電，易形成大片積雨雲，而有資料顯示，所有龍卷風都同積雨雲相聯系。
在下文詳細分析龍卷風的成因可以得知，龍卷風多發不僅和電荷的聚集與釋放有關，還和空氣流體提供的動力有關。北美大陸南起北赤道地區，北到極地，卻沒有東西走向的山脈。美國本土大陸的中部，有一片稱作“龍卷風走廊”（Tornado Alley）的區域。它位于北美大平原位于美國得克薩斯州西部和明尼蘇達州之間的一條狹長地帶，這片區域因發生在這裡的大量龍卷風而得名。
圖2 框中區域為落基山脈和阿巴拉契亞山脈之間的龍卷風走廊
南北走向的洛矶山脈阻斷了從西方吹來的盛行風下部帶來的濕潤空氣，這使得對流層中部幹燥空氣在東部下降産生幹燥氣流，而墨西哥灣帶來濕熱低氣流。冷熱氣流的交會碰撞極易産生渦旋[4]。渦旋為龍卷風的形成提供了動力。
1.2 氣候
地球上的風雨雷電等，都與冷暖空氣的相遇有關。美國氣象局回複群眾詢問龍卷風成因，經典回答就是：“溫暖潮濕的海灣空氣，遇上了加拿大寒冷的空氣和洛杉矶幹燥的空氣[2]。”
美國大部分地區屬于溫帶大陸性氣候，南部屬亞熱帶氣候，西部沿海地區分布有溫帶海洋性氣候和地中海氣候[1]。這為形成水汽和渦流提供了豐富的條件，為多發龍卷風埋下了伏筆。
1.3 龍卷風的成因
1.3.1 正負電荷氣流的互動
龍卷風的形成和粒子的微觀運動息息相關。上文提到，水汽分子帶電，因為内部電勢差較高，水汽分子從四面八方吸收電子，破壞了周圍粒子的電荷平衡。之後，因受重力作用，帶負電的水汽分子重力大于帶正電的水汽分子，會産生上升和下降兩種運動形式，加劇上下兩部分電荷的分離，在積雨雲的上下兩端形成電勢差。
圖 3 積雨雲的電荷分布
如圖3所示，在積雨雲中，由于微粒從微觀到宏觀的運動，内部形成了電荷的明顯分離，在動态的積雨雲中，在下部帶正電荷的氣流将會快速上升。這樣，在靜電力和重力等的諸多影響下，積雨雲與地面将一直重複上述過程，此過程中氣流是穩定的。我們稱之為“正負電荷不斷地随上升氣流和下沉氣流的互動運動”。
1.3.2 内部磁場的形成
法拉第電磁感應定律告訴我們，電流可以産生磁場，運動的磁場可以産生電場。在積雨雲與地面之間帶電荷的粒子微觀運動，宏觀來看，是從積雨雲流向大地的電流。由右手螺旋定律可知，在向下垂直運動的氣流周圍産生了從天空俯視磁感線呈順時針的磁場。
1.3.3 擾動産生的龍卷風
在正負電荷随着水汽不斷上升或者下沉的時候，整個系統的穩定的，如果沒有擾動，這種電荷的互動運動會一直進行下去。但是猶如蝴蝶效應所比喻的，一隻蝴蝶在巴西扇動翅膀會在得克薩斯引起龍卷風。在互動運動的過程中，其時隻要出現一個輕微的旋轉擾動(的氣流)，就可能引發旋轉磁場的産生，龍卷風就可能會在頃刻之間迅速生成[4]。
什麼是氣流的擾動？在夏天，可以在操場上常能看到的一種現象，得到啟示。一陣風刮來，突然在操場中間出現了一個氣流渦旋，它卷起了沙土和樹葉随氣流旋轉，而且越轉越快地在移動着，過了一會，又迅速慢了下來，突然消失了[6]。這就是氣流不穩定性造成的。
但是這種不穩定往往持續時間很短、範圍很小，再氣象學上被稱作“小尺度的氣流不穩定性”。龍卷風則是一種大尺度的氣流不穩定性。
當微小的擾動導緻氣流旋轉，由于急流中的最大過境氣流的影響，它被進一步加強。在旋轉的過程中，切向和垂直于速度方向都有空氣分子互相作用，使得龍卷風開始向四周延展，達到平衡後，不再擴大。因為它内部高速下降的帶正電荷的水汽的存在，龍卷風内部的壓強和外部相比非常低，當龍卷風與地面相接，地面氣壓急劇下降，附近氣流運動加快，加劇了龍卷風的形成。
在上文中提到，美國所處的北美大陸寒流暖流都十分豐富，這種氣流的不穩定為龍卷風的形成提供了有力的條件。
1.3. 科裡奧利力的影響
科裡奧利力（Carioles Force）簡稱為科氏力，是對旋轉體系中進行直線運動的質點由于慣性相對于旋轉體系産生的直線運動的偏移的一種描述。科裡奧利力來自于物體運動所具有的慣性[7]。
根據科裡奧利力的計算公式和叉乘的運算規則
可以得出，在北半球從南向北上行的風受到向右的科裡奧利力，形成了一個壓力差，周圍大氣中的空氣在壓力差的驅動下向氣壓低的地方定向移動，因為存在着科裡奧利力，形成旋轉的氣流，“低氣壓中心得以長期儲存[7]”。
結論
龍卷風中蘊藏着的巨大機械能是其中的靜電荷釋放的電磁能的一種表現形式。靜電荷積蓄的能量還可以以雷電的形式釋放。書歸正傳，美國龍卷風多發的原因主要和地理環境、氣候有關。因為北美大陸沒有東西向的山脈，洛基山脈阻斷了從太平洋東遷的水汽，使得墨西哥北上的暖流和來自加拿大幹冷的寒流相遇，産生更多的水汽；又因為美國特殊的地理環境，四周環洋，使得水汽得以儲存。在水汽上積聚大量電荷，由于流體運動，使得形成宏觀移動的電流。電流周圍産生磁場，如果此時産生擾動，那麼就會形成渦流，渦流帶動附近空氣流動，遂形成龍卷風。綜上所述，美國的環境是極易産生龍卷風的。
參考文獻
[1]周石硚.美國災害地理[J].地理譯報,1992,(02):24-30.
[2]潮輪.超強龍卷風重創美國數百人死傷損失慘重[J].生态經濟,2013,(07):8-13.
[3] Kessler.雷暴形态學和動力學.北京:氣象出版社,1991:94-101,82,82
[4]百度百科.“龍卷風走廊” [EB]. http://baike.baidu.com/link?url=t_hp4X.2017.5.21.1:19
[5]張寶盈.人工控制龍卷風的可能性——龍卷風成因新探[J].自然雜志,2003,(01):58-61+64.
[6]王振東.龍尾不卷曳天東——漫話龍卷風[J].力學與實踐,2010,(04):112-115.
[7]百度百科.“科裡奧利力” [EB]. http://baike.baidu.com/link?url=6-d0n13Z.2017.5.21.11:59