塵捲風的演示與分析－利用燭火煙霧與加熱的香灰水
馮志龍
1* 林錫暉
2林錫昭
2馮兆筠
3馮兆薇
3 1國立雲林科技大學 材料科技研究所 2國立台南第一高級中學 3正心高級中學 *通訊作者：fengcl@yuntech.edu.tw （投稿日期：民國 106 年 10 月 12 日，接受日期：106 年 12 月 18 日） 摘要：塵捲風現象屬於一種大氣柱狀旋轉運動，常出現於地表溫度較高區域，甚 至火星表面亦曾發生。這種旋轉怪風外型近似龍捲風，但其尺度小且形成於晴空 高溫環境中，故非常適合實驗演示探究。然而，過去相關的實驗演示大多以人工 強迫對流為主，設備較昂貴且難以呈現溫度變化。因此，本文提出一個簡單有趣 的實驗演示設計，利用燭火與水熱流裝置的自然熱對流方式演示塵捲風現象，並 進行溫度量測分析。藉由三維空間溫度分佈，我們可解析塵捲風的熱柱機制。 關鍵詞：自然熱對流、塵捲風、演示實驗、熱柱壹、 前言
人類賴以生存的地球富含大氣，當大氣受太陽熱力作用或地表熱輻射影響，即可能形成 所謂的自然熱對流運動。然而，如果進一步考慮地球自轉、地形環境、天氣型態或輻合擠壓 等影響效應，則這些熱對流運動可能發展成驚人的旋轉運動。目前已知的大氣旋轉運動包 括：氣旋(Cyclone)、龍捲風(Tornado)、陣風捲(Gustnado)及塵捲風(Dust devil)等(張泉湧,2016; 王 凱帝等, 2011)，其中塵捲風尺度最小且不受地球自轉科氏力及複雜天氣型態如積雨雲、鋒面 等影響，在晴空無雲的環境下，藉由地表熱輻射即可能引發，甚至乾燥的火星上亦能引發塵 捲風現象(Balme 與 Greeley, 2006)。因此，如果實驗室欲演示自然界的大氣旋轉運動，塵捲風 當然是最合適的演示對象。 回顧過去有關大氣旋轉運動的演示實驗(林秉煜, 2004; 王凱帝等, 2011; Greeley et al., 2003; Neakrase et al., 2006, 2010)，大多屬於人工強迫對流方式，即利用強力風扇集中抽取氣 體形成柱狀低壓區，周圍氣體向低壓區擠壓輻合即形成旋轉氣柱。然而，此方式無法呈現明 顯的溫度變化，真實大氣旋轉運動應源自於自然熱對流。欲產生自然熱對流必須具備加熱的 熱源，除了前述的地面輻射熱或太陽熱力之外，火焰也是常見的熱源。事實上，會聚的強烈 火焰也能引發大氣旋轉，其發展模式近似塵捲風，一般又稱之為火旋風(Fire whirl)或火龍捲 (Fire tornado)，常出現於森林大火或大樓火災中。近年來已有一些有關火旋風的演示實驗 10.6212/CPE.2017.1802.05(Grishin et al., 2005, 2012)被提出，但多數演示仍加入人工強迫對流方式引發火旋風，即利用 大型風扇強力將火焰集中往上抽或旋轉火源形成火渦漩，其中並採用瓦斯或汽油等高危險性 燃料，以致需要較大的實驗演示空間，不適合一般小型實驗室。 基於安全性及演示實驗空間的考量，我們利用燭火及水熱流裝置作為熱源，因為蠟油本 身不易燃燒，需有棉線才能引燃，而水熱流裝置則利用電磁爐與導磁板加熱水，電磁加熱方 式相當安全。我們將這兩種熱源進行簡單的實驗設計，即可分別在大氣及水中演示類似塵捲 風的柱狀旋轉現象，相當有趣。至於詳細的實驗設計原理將於本文第二章節說明，而實驗步 驟與演示結果則分別呈現於第三、四章節，最後第五章節將作一個簡單的結論。
貳、 實驗設計原理
塵捲風是一種近似柱狀的旋轉垂直氣流，外型與龍捲風近似，但發生於晴朗無雲的天氣 系統中，並從地面往上發展，發展型態完全不同於龍捲風。一般認為塵捲風的生成原理，係 因地表受太陽照射形成高溫，進而輻射加熱鄰近地表的空氣，造成近地面低層為低密度暖空 氣，而高層卻為高密度冷空氣的不穩定現象。倘若地表加熱增溫不均勻或出現擾動風場，則 暖空氣即會從溫度較高的區域升起，突破上方冷空氣層構成一個熱柱形式(thermal plume)。 當熱柱氣流上升速率增快時，熱柱底部中心氣壓就會下降更多，造成底部暖空氣輻合效率更 劇烈，流向底部低壓中心的大量空氣一旦與中心軸線出現距離(因可能發生擠壓偏斜)，則角 動量將不為零，進而造成上升熱柱的旋轉，其發展原理示意圖如圖 1 所示。由於這種輻合旋 轉係從熱柱底部往上發展，常會捲起地面塵土，故稱之為塵捲風(Barcilon, 1967)。另外，大 火也能產生類似的塵捲風現象，因大火高溫能突破上方冷空氣層，形成如塵捲風的上升氣流 熱柱，加上大火燃燒構成近真空環境(近似塵捲風低壓中心)，周圍空氣輻合對流或風場作用， 即形成大火旋轉的火旋風現象。至於本文提出的燭火及水熱流演示實驗，其原理也是藉由加 熱形成上升氣流的熱柱結構，詳細的設計原理如下: 圖 1：塵捲風發展原理示意圖一、 燭火演示原理 燭火燃燒大致可分為燭火本體區與煙霧區，圖 2a 為三支燭火會聚加熱之示意圖，其中 燭火本體區溫度比周圍空氣高且具向上燃燒特性，可視為一上升熱柱(如箭頭所示)，燭火頂 端區域溫度甚高，可加熱頂端區域的空氣，導致燭火頂端上方煙霧區亦構成一熱柱結構。由 於熱柱上升氣流會導致熱柱底部附近形成低密度或低壓中心，但燭火本體溫度高，大量冷空 氣應從低溫的燭火底部輻合流入低壓中心，一旦發生擠壓偏斜，則將會如塵捲風一樣形成上 升的旋轉熱柱。 二、 水熱流裝置演示原理 水熱流裝置係利用電磁爐與導磁板加熱水，為了增加冷熱水的溫差，我們以隔熱封蓋將 水箱內的水略作區隔，其中導磁板置於封蓋內加熱水，而封蓋上挖一小孔，當封蓋內的水加 熱至較高溫度，熱水便會從小孔噴出形成一上升水熱流柱，如圖 2b 所示，相當於熱柱。換 言之，小孔建構出熱柱，而大量熱水輻合湧向小孔(相當於熱柱底部)噴出，亦會產生擠壓偏 斜而導致上升水熱流柱旋轉，形成類似塵捲風的柱狀旋轉現象。至於封蓋內熱水自小孔噴出 後，周圍冷水會從封蓋底部縫隙輻合湧入補充，但因封蓋內空間狹小且導磁板急速加熱，故 應處於強烈熱對流形態。
圖 2：演示實驗設計原理示意圖，其中(a)表燭火，(b)表水熱流裝置 (a) (b)
參、 實驗步驟或方法
根據上一章節的實驗設計原理可知，欲構成類似塵捲風的柱狀旋轉現象，必須突破上方 冷空氣層形成強烈上升熱柱，而本文提出的燭火與水熱流裝置分別利用多支燭火會聚加熱及 導磁板分隔加熱方式來形成上升熱柱，並使用電腦化溫度感測設備監測三維空間的溫度分 佈，藉此可檢視上升熱柱的發展，其實驗步驟與裝置詳述如下： 一、 燭火演示分析的實驗步驟 (一) 欲將多支燭火會聚燃燒，必須將多支蠟燭進行近圓形的對稱集中排列且導引燭火的 燭蕊棉線需集中彎向圓心處。另外，蠟燭粗細長短須儘量一致，否則，可能影響燭 火會聚演示效果，而本實驗採用的蠟燭直徑約 2cm，長度約 30cm。圖 3 分別為 3 支 蠟燭與 7 支蠟燭會聚燃燒之對稱排列情形。 (a) (b)圖 3：燭火會聚燃燒的近圓形集中對稱排列情形，其中(a)為 3 支蠟燭，(b)為 7 支蠟燭 (二) 點燃蠟燭，觀察燭火頂端的煙霧運動情形。另點燃數根線香，讓線香煙霧飄向燭火， 觀察燭火本體周圍空氣運動情形，並以數位攝影機記錄。 (三) 利用溫度感測器分別進行燭火本體區與煙霧區的溫度量測，感測器架設位置如圖 4 所示，大致分成高、中、低三種不同高度進行量測，其中燭火本體區因溫度超過感 測器量測上限，感測器僅能距燭火本體約 1~2cm 處量測。至於煙霧區，因溫度未超 (a) (b)
圖 4：燭火演示之溫度感測器架設情形，其中(a)表燭火本體區；(b)表燭火煙霧區
過量測範圍，我們可進行三維空間的溫度量測，分別針對三個不同垂直高度的平面 3 點位置進行量測，其中平面 3 點位置包括熱柱中心點及距中心約 2cm 兩位置點， 而垂直高度則考慮距燭火頂端約 5cm、11cm、17cm 等三種不同高度。 二、水熱流裝置演示分析的實驗步驟 (一) 將透明大水槽靜置於電磁爐上，加水至 4/5 滿，置放導磁板於水槽內且位置恰位於 電磁爐正上方，並以砝碼壓住固定。再將香灰灑入水中，沉澱於導磁板上。然後， 將具有細孔的圓形隔熱封蓋套於導磁板上，再以砝碼壓住隔熱封蓋，將沙土灑入水 中，沉澱於封蓋四周，而水槽周圍以燈光照明，整個實驗裝置如圖 5 所示。 圖 5：水熱流裝置及溫度感測器架設圖 (二) 開啟電磁爐，先以小火經由導磁板加熱封蓋內的水，加熱約 3~5 分鐘後，細孔約有 少許熱水冒出，再轉至大火加熱，封蓋內的水熱對流更劇烈，混合更多香灰，從細 孔噴出形成水熱流柱。當大火加熱約 30 秒後，需關閉電磁爐電源，否則，劇烈上升 水熱流柱的香灰會迅速讓整個水槽渾濁，不利於觀測。加熱雖停止，但封蓋內高溫 熱水仍夾帶香灰持續由細孔冒出，形成穩定清晰的上升水熱流柱，故可進一步觀察 上升水熱流柱的旋轉情形，並攝影記錄之。 (三) 溫度感測器架設亦如圖 5 所示，將一支感測器探棒伸入水熱流柱內部，另兩支感測 器探棒在周圍，相距中心約 1~2cm，三支探棒高度相同，約距封蓋 4cm 進行量測。 然後，再增加探棒高度，即約距塑膠封蓋 8cm 處進行量測。
肆、 實驗結果與分析
依循上述實驗演示分析步驟，我們可獲致類似塵捲風的柱狀旋轉現象，而三維空間溫度 分析也證實了熱柱的存在，以下為其詳細的實驗演示結果與分析：一、 燭火演示分析結果 首先，圖 6 為 3 支燭火會聚燃燒的靜態連續畫面，其中可發現燭火有明顯爬升現象，高 度約為單支燭火的 2~3 倍，而燭火頂端或煙霧具有忽左忽右的空間變化情形，顯示有明顯的 旋轉運動。至於數位攝影機記錄的動態影像如附錄一 A，利用手機掃描 QR Code 即能欣賞猛 烈旋轉之動態畫面。另外，圖 7 顯示線香煙霧運動的靜態連續畫面，可發現煙霧會隨燭火扭 轉而產生旋繞情形，相關動態影像可掃描附錄一 B 的 QR Code。由於線香煙霧可代表空氣的 運動，意味燭火本體的旋轉運動可能帶動周圍空氣旋繞。因此，從燭火本體至頂端煙霧的這 種劇烈旋轉現象可演示大氣塵捲風(或火旋風)的柱狀旋轉現象。若將蠟燭增為 7 支進行會聚 燃燒，則得到如圖 8 所示的靜態連續畫面，可發現燭火旋轉更劇烈且爬升更高，約為單支燭 火高度的 3~5 倍，有時猛烈旋轉導致燭火瞬間消失而形成模糊煙霧。由於燭火強烈扭動且燃 燒旺盛，燭火頂端煙霧區反而不明顯，相關動態影像可掃描附錄一 C 的 QR Code。 圖 6：3 支燭火會聚燃燒形成燭火頂端或煙霧的旋轉連續畫面 圖 7：燭火本體周圍之線香煙霧旋繞連續畫面
圖 8：7支燭火會聚燃燒形成燭火旋轉的連續畫面
其次，關於溫度量測分析方面，主要可分為燭火本體區附近不同高度的量測(如圖 9)及 燭火頂端煙霧區三維空間的量測(如圖 10)。根據圖 9 的量測結果可知燭火頂端溫度最高，燭
圖 9：燭火本體區附近不同高度位置的溫度隨時間變化情形。其中(a)表量測位置；(b)表 3 支燭火量測 結果；(c)表 7 支燭火量測結果
火底部附近溫度最低。雖量測位置不在燭火本體熱柱內，但依據熱輻射效應仍可約略判知燭 火上升熱柱特性。另外，7 支燭火會聚的溫度高於 3 支燭火，顯示其熱對流較強，可解釋 7
圖 10：3 支燭火頂端煙霧區的三維空間溫度隨時間變化情形。其中(a)表量測位置；(b)表低處平面的量 測結果；(c)表中央平面的量測結果；(d)表高處平面的量測結果
支燭火爬升較高的現象。同時，燭火頂端附近溫度呈鋸齒狀變化可解釋燭火頂端旋轉舞動的 情形，而 7 支燭火在較低高度就已呈現鋸齒狀溫度變化，顯示 7 支燭火本體旋轉舞動較為強 烈。至於圖 10 的燭火頂端煙霧區量測結果，主要針對 3 支燭火，我們以三個高度不同的平 面呈現三維空間溫度分佈，每個平面的 3 點量測位置皆相同且必有一點位於熱柱中心，相關 量測位置與溫度變化詳如圖 10 所示。根據圖 10a 量測位置對應圖 10b~d 三個平面的溫度量 測結果，可發現各平面的熱柱中心位置溫度皆明顯偏高，顯示熱柱確實存在。另外，各平面 量測的溫度皆有鋸齒狀變化，亦可說明煙霧區的旋轉現象。 二、水熱流裝置演示分析結果 水熱流裝置的演示實驗結果如圖 11 所示，其中圖 11a 係由水槽斜上方拍攝的連續畫面， 而下圖 11b 則從水槽側面拍攝。我們可發現兩圖皆出現水熱流形成的柱狀結構及灰白螺旋條 紋，其中螺旋條紋應為香灰隨水熱流柱旋轉運動所造成，由此可顯示水熱流柱的旋轉現象， 相關動態影像可掃描附錄一 D 的 QR Code。換言之，水中亦能演示塵捲風的柱狀旋轉現象。 至於水熱流柱三維空間的溫度量測結果如圖 12 所示，由於水熱流柱長度有限，我們僅以兩 (a) (b) 圖 11：水熱流裝置演示的水熱流柱狀旋轉連續畫面。其中(a)為斜上方拍攝；(b)為側面拍攝
個不同高度的平面呈現三維空間溫度分佈，每個平面的 3 點量測位置皆相同且有一點必位於 水熱流柱中心，相關位置如圖 12a，而對應的量測結果如圖 12b~c 所示，可發現水熱流柱內 溫度皆明顯高於周圍，顯示熱柱結構的存在。同時，熱柱內溫度有鋸齒狀變化，顯示熱柱有 旋轉現象，而周圍兩個量測點因位於水熱流柱影響範圍之外，幾乎不受旋轉影響，故溫度變 化不大。 圖 12：水熱流柱的三維空間溫度隨時間變化情形。其中(a)表量測位置；(b)表低處平面的量測結果； (c)表高處平面的量測結果
伍、 結論與建議
我們利用安全性甚高的燭火及水熱流裝置，分別從大氣及水中成功演示塵捲風(或火旋 風)的柱狀旋轉現象，整個實驗演示僅需一張小實驗桌即能完成。換言之，塵捲風的劇烈柱狀 旋轉現象可直接縮小至眼前展現，讓學生能近距離體驗感受。另外，我們採用燭火的會聚加熱及水熱流裝置的導磁板分隔加熱，皆係以自然熱對流方式進行實驗演示，非過去的人工強 迫對流方式，可真正擬合塵捲風源自地面加熱而形成上升熱柱的熱對流模式。由於熱對流方 式能呈現溫度變化，以致我們可藉由溫度量測證實熱柱的存在，而熱柱即是形成柱狀旋轉的 主要因子。至於柱狀旋轉運動現象，我們可利用燭火頂端煙霧或線香煙霧進行觀測，但 7 支 燭火本體旋轉舞動劇烈，燭火頂端煙霧較不明顯，故建議燭火演示以 3 支燭火會聚較佳。另 外，水熱流柱的旋轉現象，可利用香灰混入水中進行觀測，但導磁板加熱需控制，才能讓水 熱流柱的旋轉現象清晰可見。 總之，大氣劇烈柱狀旋轉現象一直是令人關注的演示實驗對象，但真正完全以自然熱對 流方式進行演示且能直接量測其中溫度變化者，甚為稀少，而本文提出的燭火與水熱流裝置 經過簡單的實驗設計恰能達到上述演示需求。同時，實驗設備與材料取得相當容易且價格低 廉，尤其燭火演示實驗，僅需幾根蠟燭，即能欣賞劇烈柱狀旋轉的自然奇景。對於經費有限 的中小學而言，這種廉價的演示實驗應容易推廣。由於安全性高，學生可親自動手操作，體 會其中的科學奧秘。
致謝
感謝國立雲林科技大學物理實驗室提供電腦化溫度感測器及相關錄影設備，而本文相關 內容曾製作海報於「2017 年中華民果物理教育年會」展出，期間獲大會「佳作」鼓勵，與會 學者並給予一些寶貴建議，特此一併致謝。參考文獻
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附錄一：
A .3 支燭火頂端與煙霧旋轉之動態影像 https://drive.google.com/file/d/0By274EaQ9WCxMmstT DVhbFdHTG8/view?usp=sharing B.利用線香煙霧觀測 3 支燭火本體旋轉之動態影像 https://drive.google.com/file/d/0By274EaQ9WCxLWFR WUdRVVNBZW8/view?usp=sharing C.7 支燭火本體旋轉舞動之動態影像 https://drive.google.com/file/d/0By274EaQ9WCxYWNL VU4tNWJzXzQ/view?usp=sharing D.水熱流柱旋轉之動態影像 https://drive.google.com/file/d/0By274EaQ9WCxaFpqb mZmbTk2UEk/view?usp=sharingDemonstration and Analysis of Dust Devil－Using Candle
Smoke and Heated Ash Water
Chih-Lung Feng
1*, Hsi-Hui Lin
2, His-Chao Lin
2, Chao-Yun Feng
3, Chao-Wei Feng
31 Graduate School of Materials Science, National Yunlin University of Science and Technology 2 National Tainan First Senior High School
3 Sacred Hearts High School
Corresponding author:
*
fengcl@yuntech.edu.twAbstract
Dust devil is a rotating column of air. It occurs frequently in the hot area of Earth’s surface and even appears on Mars. The shape of dust devil looks like tornado, whose scale is small and can be formed in clear weather and high temperature environment. Thus, it is very suitable for experiment demonstration. However, past demonstration experiments associated with dust devil show that most experiments rely on forced convection, whereas their equipment is more expensive and the temperature variation is not obvious. Therefore, we present a simple and interesting demonstration design. It uses free heat convection of candle flame and heat flow device to demonstrate the phenomenon of dust devil and to perform the measurement of temperature. Through the three-dimensional temperature distribution, we can analyze the thermal plume mechanism of dust devil.
