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大气呼吸过程的动力来源

已有 790 次阅读 2021-9-26 10:02 |个人分类:大气呼吸过程|系统分类:科研笔记

大气呼吸过程的动力来源

张学文,2021 09 26

我们已经谈了不同下垫面对空中与下垫面之间的气体吞吐具有不同的阻力http://blog.sciencenet.cn/blog-2024-1305487.html 。现在谈一谈引起下垫面与空中的气体交换的原始动力来源问题。即推进下垫面与空中进行气体物质在铅直方向(吞吐)交换的动力来源问题。显然没有这种动力,大气与下垫面不会出现气体吞吐。

         是的,气体得以与下垫面(有一定的孔隙,有气体存在于其中)有气体交换(呼吸)显然需要有动力。这个动力就是地表面附近垂直于下垫面的气压差(不妨以气象站的气压表的气压与下垫面深度1.5米处的气体压力为代表即大约是3米铅直距离的气压差)。当空气中的气体压力大于下垫面中气体向上的压力时,空气就会进入下垫面,反之下垫面中的气体就进入空中。上下(近地面与下垫面)的气体压力相等(应当还包括此厚度层内的气体质量对应的重力)。则没有空气与下垫面气体的吞吐,实现静力学平衡。即下垫面附近的上下压力不平衡就是空气吞吐的动力

 

那么,地面附近为什么会出现上下的明显气压差?!

对此我考虑有几个因素

1.         地面有大风:飞机为什么在空中不掉下来?因为飞机设计的机翼特征就是让其上侧的气流比下侧快很多,从而形成足够的上下压力差,托住了飞机(这有对应的流体力学定律)。把这个流体力学道理用到地面刮大风的时候,我们的结论自然是:地面有大风时,近地面的大气压力会低于下垫面中的气体压力(下垫面中的气体当然不可能有这么大的水平速度)。这导致下垫面的气体溢出地面进入空中。水平的大风为什么会卷起浮尘,沙尘,吹雪?---原来地面出现浮尘与飞机为什么不掉下来是一个道理!(地面为什么有大风,的道理这里就不谈了,因为大家都认可它经常出现)。

2.         当地地面的大气压力会随着天气系统的移动而变化:冷高压到了当地,空气的压力大于下垫面中的气体压力,其结果自然是把冷空气压入地下。如果热而压力低的空气移到当地,则地下气就趁机进入空气中。这依然是压力差的体现。即压力差空气吞吐的动力。

3.         地面附近的空气由于受到有日变化的日光的影响,其温度也有日变化。而温度的日变化会导致空气压力的变化。只要日光导致的气温、气压的变化与下垫面(土壤,水体)温度、气压的变化不同步(因为比热不同)。根据理想气体状态方程中的压力与温度的关系,就会形成地表面空气与下垫面的气压差,从而导致空气与下垫面的气体吞吐。---显然这种空气呼吸过程存在日变化。

4.         上面的物理过程强度显然与太阳能的大小有关。而太阳能的大小与季节有关:所以由此形成的大气呼吸应当是夏、春、秋季明显而冬季不突出。

 

我们在这里没有列出什么公式,先初步就大气呼吸的动力问题谈到此。而这样的认识已经比气象学回避此类问题近了一步。




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