【科普漫谈】大气也在呼吸

   经典气象学把空气的下垫面看作是刚体，认为空气不可能进入下垫面（刚体），也没有从下垫面进入大气的气流。在这种模型下，垂直于地面的风速等于零。但是，上述观点仅是一种近似。实际的大气下垫面（海洋水面、土壤、沙漠、积雪等）并不是刚体，垂直于地面的气流肯定存在，而吹雪、沙尘、水龙卷都是它的伴生现象。也就是说，大气存在着呼吸过程。

　　让我们先来看一看，农民为什么要耕地？从气象角度来看，耕地就是使土壤变松，让空气进入到土壤中。卖鱼的商人为什么要在盆中通一个输送空气的管子？这是要为水里加进空气以维持鱼的生命。鱼如果得不到新鲜的空气就会憋死，农作物也需要从土壤里获得空气。这些例子说明空气是可以进入到土壤或者海水这些下垫面的。

　　我们打开一瓶啤酒，会看到大量的气泡随着啤酒一起冒出来。这气泡是制造啤酒时压入的二氧化碳。而打开啤酒瓶时，压力的突然降低，使得大量的气体从液体的啤酒中进入到空气中。此外，我们再想想，沙尘暴中那些本来安居于下垫面中的尘土为什么会进入空气中？很明显，是有垂直于下垫面的气流把这些细颗粒物带入到了空气中。仔细想想这些现象，我们应该承认空气是可以进入下垫面（海洋、土壤、积雪等）的，而下垫面有时也会把它含有的气体再吐还给大气。也就是说，大气确实存在着呼吸过程。

　　那么空气在什么情况下会挤入下垫面，又是在什么条件下吸收下垫面的气体？我们首先需要考虑下垫面表层附近的气压差。如果空气中的气压大于下垫面中的气体压力，则空气被压入下垫面；如果下垫面中的气体压力大于空气压力，则下垫面中的气体就会向大气释放。夏日中午的汽车行驶在土路上会卷起数米高的尘土，是因为汽车轮子压过地面以后会留下短暂的真空，中午土壤的温度很高使得其中的气体压力变大。于是，土壤中的空气压力突然（短暂）高于空气中的压力而形成了尘土飞扬的局面。所以，我们需要分析下垫面中的气体压力以及它与近地面空气压力的差值。

　　气象学中的吹雪、沙尘暴、水龙卷、浮尘等自然现象，也可以从空气的呼吸过程联系起来认识。在下垫面附近的风存在着阵性，这种阵性反应在空气压力上有短暂的变化（流体的伯努利方程），地面上积雪中的空气不会立刻适应它，于是就出现风吹雪的现象。下午的土壤很热，根据气体的状态方程，在体积不变时温度的升高引起土壤中气体压力增加。一旦空气压力小于土壤中的气体压力，土壤中的空气就迅速进入大气，而土壤中的细颗粒也随之升天，这就是沙尘暴。以此类推，我们不难想像：当一个气压很低的龙卷风进入水面时，它会把水里的空气吸入，也会附带着把水变成水滴吸入空气而成为水龙卷。

　　承认空气与下垫面之间的空气吞吐，还使我们对霾的认识有了新的视角。霾仅是由于人工排放的气体污染物形成的吗？下垫面既然把沙尘送入空中，为什么不能把尘埃、PM2.5这些更细的颗粒物送入空中呢？因此，我认为，研究PM2.5的问题，需要分析土壤中的气体压力以及它与地面大气压力的差值。

　　气象部门过去开展了对大气的压力、温度、湿度以及土壤的温度、湿度观测。现在来看，我认为，气象部门应当再进一步开展土壤的气体观测，即要建立土壤中（距离地面4米至10米）气体压力的测量仪器、测量方法的研究以及布局土壤气体压力的观测网。

（来源：《中国气象报》2014年6月12日三版 责任编辑：唐淼）