近日，北京市出臺《關於加強極端天氣風險防範應對工作的若干措施》，旨在逐步建成與首都功能定位相適應的極端天氣風險防範應對工作體系，努力實現“不死人、少傷人、少損失”的目標。既然“極端天氣”的危害這麼大，我們有必要了解一下其背後的科學原理。
一、蒸汽機
蒸汽機是一種利用鍋爐將燃料燃燒的熱能變成機械能的裝置。在科技發展史上，蒸汽機具有劃時代的意義。在蒸汽機出現之前，技術是掌握在工匠手裡，而科學活躍於象牙塔之內。但瓦特在改進蒸汽機的過程中，將科學研究中所使用的嚴謹的推理和實驗方法運用到技術改良中。
蒸汽機的研製開創了科學的一個廣闊而重要的研究領域——熱力學，這門學科用幾個能直觀感受到的宏觀狀態量，比如溫度、壓強、體積、濃度等描述和確定系統所處的狀態。從此“能量”從一個科學概念變成了今天我們十分常見的一種東西，以及“熵”的概念為我們所耳熟能詳。
改進蒸汽機的瓦特
蒸汽機的出現直接帶動了18世紀的工業革命，英國的煤炭開採量翻了十倍。隨著時間的推移，同樣遵守熱力學規律，但是效率更高的內燃機出現了。蒸汽機和內燃機提高了生產效率，同時也推動了礦物燃料（煤和石油）的消費，為今天的全球變暖拉開了序幕。
二、煙囪
煙囪可能是人類歷史上最早利用熱力學原理工作的人工裝置了。在原始社會新石器時代晚期的仰韶遺址中就發現了人類最早的煙囪，當時穴居或半穴居的人在屋頂上開了一個能散煙的洞，那時候的穴就是一個能住人的煙囪。
當原始人在穴內點燃火堆，穴內的溫度升高，穴內的空氣開始膨脹，膨脹的空氣比重變小，所以從穴頂的開口處排出。排出氣體後穴內氣壓低於穴外，於是形成壓力差，穴外溫度較低的高壓空氣就貼著地面從人類進出的通道（門）進入穴內。
東北農村民房煙囪
室內外的空氣源源不斷地進行流動。這種由熱壓而引起的自然通風被稱為煙囪效應。如今的煙囪雖然與原始人的形式不同，但原理都是相同的。
不論是工業還是民用煙囪，都是利用熱空氣上升的原理，從上部出風口排出熱煙氣，外面的新鮮冷空氣從入口被捲入，增加了燃料燃燒所需要的氧氣，使燃料更加充分的燃燒，增強了火勢。
三、極端天氣
距離人類生活的地表最近的一層大氣圈叫做對流層，受到地球引力的影響，對流層是大氣中最稠密的一層，集中了約75%的大氣質量和90%以上的水汽質量。其平均厚度從地表開始計算，約12公里。
大氣垂直分層
在陽光、地球公轉、地球自轉、緯度、海洋、岩石表面、植被等共同的影響下，同一時刻不同區域的溫差很大。在不同區域氣團的冷熱變化的影響下，對流層中上演著無數的“煙囪”裡的故事，形成了風、雨（雪、霧、雹、露、雲）、雷電等一系列的天氣現象。
根據氣象學家的統計，隨著全球變暖，極端天氣出現的數量、破壞能力都在隨著地球變暖而增加，這又是為什麼呢？
科學界普遍認為，地球變暖的最大元兇就是人類生產生活所釋放的超量二氧化碳。二氧化碳有這樣一個特性：比重大，它們會聚集在地表附近。當地表將陽光的熱量轉換成長波紅外線向大氣中輻射的時候，二氧化碳會吸收這些電磁波變成自己的動能。
快速運動的二氧化碳分子在碰撞中將大部分動能傳遞給其它空氣分子。我們都知道，溫度這個物理量反應的就是組成物體分子熱運動的劇烈程度，更多的二氧化碳導致地面附近的空氣溫度比二氧化碳少的時候更高。
在對流層，空氣的溫度隨著高度的增加而降低。二氧化碳造成的溫室效應導致地表溫度與高空大氣的溫差增大。就像更高的煙囪能帶來更大的火力一樣，更大的溫差導致空氣的對流加強。而海洋表面溫度的增加則給大氣中增加了更多的水汽。
在同樣風速下，攜帶更多水汽的風擁有更多的動能。這些攜帶著更多水汽，更強的對流造成的結果就是我們如今看到的“極端天氣”正在增加，同時“極端天氣”的破壞能力也在增加。正如大家在2021年12月10日新聞裡見到的，30多個龍捲風橫掃美國中部，超百人遇難，5000萬以上的人受災。
龍捲風
結語
科學技術的進步提高了人類的生存質量，但也造成了有限的自然資源的過度使用，破壞了幾十億年來所形成的相對穩定的自然環境。但科學研究也向人類揭示了環境變化的原因，提供了可以改進的方案。低碳生活應該從此刻開始成為我們的習慣。
——畢竟，我們只有一個地球——
