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非常重要的尺度问题

已有 5910 次阅读 2007-11-9 19:08 |个人分类:温景嵩文库|系统分类:科研笔记

 

 

非常重要的尺度问题

《创新话旧》第9章(1

 

 

温景嵩

南开大学 西南村 69 1 401

2007119 于南开园)

 

 

 

 

 

第九章 创新点(8) ── 一门新学科分支的建立

 

 

91 物理学中的尺度

 

物理学所研究的空间尺度大小跨越了42个数量级,最小到1015,(即飞米)这是核子(包括质子和中子)的大小。按照赵凯华、罗蔚茵两教授的著作《新概念物理教程》的《力学》卷中的说法,再往下的一个层次是夸克,每个核子由三个夸克组成,但夸克间的相互作用有禁闭性质。人们永远不可能分离出自由的夸克来,以致讨论一个夸克有多大,就成为没有意义的问题。核子再往上是原子,它是由核子和核外电子所组成,尺度比核子大五个量级到了1010(即到0.1纳米)。空间尺度最大则是宇宙,已知宇宙的大小是102627。这样,从最小尺度到最大尺度,中间共跨越了42个数量级,叫做“宇宙的42个台阶”。

物理学中的规律有一个很重要的特征,就是变化规律和物体的空间尺度有关,会因尺度大小不同而改变。例如,我们可把大小在人体尺度(数量级为1)上下几个数量级范围的客体,叫做宏观体系,而把原子尺度的客体叫做微观体系。两者所服从的物理规律有根本不同。在宏观体系中, 服从的是宏观的、经典物理的规律,如牛顿力学。而在微观体系中,则 牛顿力学等规律不再适用,那里的问题需要用量子力学来处理,即它们服从于现代物理的规律。近年来由于科学技术的发展,已能制造出线长度为微米,宽度为几十纳米的粒子,这种尺度的粒子中所包含的原子数目其数量级为1081011。所以它仍属宏观粒子,然而这种宏观粒子在低温条件下的实验结果,却表现出了微观粒子才有的量子效应,这种呈现出微观物理效应的宏观系统叫介观系统。它所服从的是介观物理学的规律,这是介乎微观与宏观之间的第三种规律──介观规律。这样,在物理学中,就因空间尺度大小的不同,而有了三种规律:宏观世界中以牛顿力学为代表的宏观规律;微观世界中以量子力学为代表的微观规律;以及介乎这两者之间的介观世界之介观规律。

 

 

8.  2流体运动的尺度

 

与物理学中因空间尺度不同,而有不同的规律相似,在流体运动中,也有尺度大小的不同, 也会有不同的规律,并且还更敏感。流体运动时的空间尺度大小是由流动的非均匀性所确定。对于一个完全均匀,在流向、流速上不做任何改变的流场而言,就谈不上该流场的空间尺度大小。但当流场是非均匀时,情况就不同了,该流场就具有空间尺度大小的特征,且以其非均匀场的特征尺度为该流场的尺度。例如一个平行的均匀流场从无穷远处流过来时,若空间中没有任何障碍物,则流场始终能保持均匀,此时就不能谈该流场的空间尺度问题。反之,若在空间中有障碍物,比如说有一个圆球,则该平行均匀流场在圆球附近就发生绕流现象,均匀流场转化为非均匀流场。此时,非均匀流场的空间特征尺度就可以圆球的半径来量度。半径越大,非均匀流场的尺度越大;反之,则越小。当流场在无穷远处流速一定,且流体的运动粘性系数一定时,则该非均匀流场性质完全决定于圆球半径。半径不同流场尺度就不同,则绕流场的性质就不同。其多样性要比前面讲的物理学的三大规律复杂得多。这种性质上的不同,即规律上的不同,完全可以通过实验表现出来。赵凯华和罗蔚茵在他们的《力学》卷中举了一个圆柱绕流的例子。这是个以圆柱绕流图形随雷诺数变化而改变的例子。赵凯华给出了五张图。雷诺数最小从102,最大到106,跨越了8个数量级,中间又给出了三个不同大小,包括20100104三种雷诺数。结果五张图的流型各不相同,也就是说五种流场的性质和规律各不相同。从最小的雷诺数102开始,此时流线在绕流时始终贴着圆柱不与之脱离,绕流前后对称,圆柱后无涡旋。雷诺数增至20时,绕流场前后不对称。圆柱后尾流区有固定涡旋出现。雷诺数增至100时,涡旋脱离圆柱漂向下游,然后另一侧会有新的涡旋产生。这样涡旋交替产生,交替脱体又交替向下游漂去,叫卡尔曼涡街。当雷诺数再增至104时 ,圆柱后的尾流中有湍流出现。最后当雷诺数增至106时,圆柱的尾流区全部为湍流所充满。流动性质与前面层流状态根本不同。大家知道,雷诺数与流体的非线性惯性力成正比,而流体的非线性惯性力又和流体的特征尺度(此例中即是圆柱半径)与特征速度之积成正比。因此, 当上述实验中上游来流速度保持不变,粘性保持不变。则上述流型随雷诺数的变化,就完全可以看成是流型性质随空间尺度而做的复杂变化。此例中决定流场性质的力有二,一是流体惯性力,另一个是流体的分子粘性力。流体的空间尺度越大,它的惯性力相对于分子粘性力就越大,流场的性质就当然应该发生变化。看来这要比物理学中的宏观规律、微观规律、介观规律三大规律复杂得多。难怪物理学家赵凯华教授在讲完这一实验后,紧接着说:“这实在令人叹为观止!”。流体运动随空间尺度变化的复杂性还不止于此。一般而言,同一个流场还不止有一个特征尺度,常常有几个特征尺度,这就比物理学中的问题更要复杂得多。比如飞机的机翼绕流就比前面讲的圆球绕流、圆柱绕流远为复杂。因为它的特征尺度不是一个,而是几个,至少两个。一个是机翼的弦长,一个是机翼厚度。即使圆柱、圆球绕流,看似是一个特征尺度,实际上这只有对无粘性理想流体位势绕流而言才对。而对粘性流体绕流而言,就不行。此时除了这种几何学上的尺度以外,又会因流体粘性大小不同,产生第二个内在的特征尺度。对高雷诺数粘性绕流就会有一粘性边界层出现,边界层的厚度就构成第二个特征尺度。对低雷诺数粘性绕流就会有一粘性临界距离出现,这又构成了第二个特征尺度,这显然是一个十分复杂的问题。只是到了20世纪,流体力学才创造出对付同时具有两个特征尺度的流场的特殊办法──奇异扰动法。形成了一整套奇异扰动理论。而对于非微扰问题就只有诉诸于巨型计算机,让计算机来解决问题了。

 

 

93 大气运动的尺度

 

大气是一种流体,大气运动是一种特殊的流体运动。问题又要比上述的典型的理想流体绕流运动以及粘性流体绕流运动复杂得多。原来它的空间尺度不是一个两个的问题,在空间尺度上它是一个非常广阔的广谱,尺度最大到103104公里,可与地球半径相比拟;最小到微米、亚微米粘性流。尺度谱跨越了1314个数量级,其复杂程度相对于上一节所讲的只有两个特征尺度的粘性流体绕流运动而言,又是后者所无法比拟的。对此,气象学家的办法是分区间处理。一般共分四个区间。即:大尺度大气运动,尺度在103104公里,可与地球半径比拟;其次是中尺度大气运动,尺度范围大致在102公里;再往下是小尺度大气运动,尺度在110公里;最后是微尺度大气运动,尺度范围从小尺度湍流区间开始(注:研究大气湍流的学者常把大尺度和中小尺度大气运动也看成是湍流,叫大尺度湍流。与此不同,把尺度最大到100,最小到厘米、毫米的内尺度耗散区间的湍流,叫小尺度湍流,就是本书讲的微尺度大气运动区间中的最大一端);从小尺度湍流往下还有更加微小的尺度,这就是微米、亚微米粘性流,这个尺度比大尺度大气运动小了10131014个数量级,它是否在大气运动中真正存在?回答是肯定的。本书第二章中已经讲过,地球大气实际是一个气溶胶系统,由于气溶胶粒子的存在,就必然会在大气中引起与气溶胶粒子尺度大小相当的各种各样的扰动流场。典型的气溶胶粒子尺度是微米、亚微米量级,因此在地球大气运动中必然会存在有微米、亚微米这样微小尺度的运动。当然,再往下,气溶胶粒子还有更小的纳米级的粒子。但那时粒子尺度已经小于空气分子自由路径的尺度。此时的大气就不再能被认为是连续介质,对于纳米级的气溶胶粒子,或者高空空气稀薄时的微米级粒子,或是在制造大规模与超大规模的集成电路的超净工作间中的真空室中的微米级气溶胶粒子而言,四周空气都可以视为一个自由分子体系,而非连续介质,其运动规律就已离开流体力学,属分子动力学范围了。

微尺度大气运动的规律与大中小三种尺度的大气运动有重大区别,其中最重要的一个区别就是空气粘性所起的作用。我们知道,空气粘性系数非常小,在厘米、克、秒单位制中,它的数量级为104,仅有万分之一大小。在大尺度、中小尺度大气运动中它都可忽略不计。在大尺度大气运动中起作用的主要是地球自转偏向力和大气温度的稳定层结,这种稳定层结构成一种负浮力,使热对流发展不起来。在中尺度运动中,起作用的主要是地球自转偏向力和大气的不稳定层结,这种层结构成一种正浮力,可以使热对流发展起来。甚至可以形成非常强的热对流,构成百公里尺度的灾害性天气如暴雨、冰雹和雪暴等。到了小尺度的运动则地球自转偏向力也可忽略不计了,只剩下大气温度的不稳定层结,可以形成热对流。适宜条件下,也可形成很强的热对流,造成局地110公里范围的灾害性天气。对于以上三种尺度的大气运动而言,一个共同特点即是在这类尺度中运动的大气,其空气粘性均可忽略,可把它们看成是事实上的无粘性的理想流体。这个特点在微尺度大气运动中就不复存在了。与此相反,从微尺度大气运动中最大的一端,即小尺度湍流开始,空气粘性的作用就开始显著起来。湍流虽然是一种高雷诺数运动,其中流体的非线性惯性力起主要作用,流体的分子粘性力贡献居第二位。但它却是一个非微扰问题,对它甚至不可采用奇异扰动方法处理。在奇异扰动问题中可以在边界层里保留分子粘性,但在湍流场中,流体的分子粘性却处处不可忽略,不单是在边界层中要保留它,否则就无法理解湍流的耗散性质。湍流是一个耗散系统,如果没有能源补充它就可自行衰变为规则的层流。而大气中由于风切变的经常存在,不稳定层结也常有机会存在,所以大气湍流才可经常存在。除非在风力十分小且逆温层存在,层结十分稳定条件下,此时才可以有静风的无湍流的存在,这正显示出了空气分子粘性的十分主要的耗散作用。

以上讨论的小尺度湍流区间的运动,它只是在微尺度运动的最大一端,这一端它最小到厘米、毫米内尺度粘性耗散区间。根据我们的经验,微尺度到此还没有到头,往下还有更小的,最小就到了本书前面几章中所说的,由气溶胶粒子引起的微米、亚微米尺度的扰动流场。虽然前面已指出,空气的粘性系数十分小,在厘米、克。秒单位制中仅为104。但当流场尺度缩小到气溶胶粒子尺度时,由于它的尺度在厘米、克、秒单位制中与分子粘性相当,甚至更小,为105104,所以在这个尺度上分子粘性不但不可忽略,而且反客为主,起主导的支配作用,这种尺度的运动就完全服从于斯托克斯的粘性流运动方程了。不仅如此,原来在大尺度、中尺度中起主导作用的地球自转偏向力,以及大中小三种尺度都起重要作用的大气温度层结,这两种因子,当尺度小到从湍流的惯性子区间开始一直到微米、亚微米尺度粘性流,就都不起作用,完全可以忽略了。大气运动的性质随空间尺度大小不同而有如此惊人的变化,可才真是令人叹为观止。

人类对大气运动的研究首先从大尺度运动开始,事情在20世纪上半叶。1920年前后挪威气象学家V.皮亚克尼斯(V. Bjerkness)和J.皮亚克尼斯(J. Bjerkness )提出锋面气旋学说,1939年美国芝加哥大学的国际气象学大师罗斯贝提出了长波理论。至此人们对大尺度运动的三维结构与运动规律有了一个比较科学的认识。以皮亚克尼斯为首的挪威气象学派和以罗斯贝为首的芝加哥气象学派对大尺度动力学做出了开创性的贡献,为数值天气预报打下了基础。到了1950年美国著名学者恰尼(Charney)等人首次成功地作出数值天气预告,开辟了数值天气预告的业务。在我国,也是从大尺度大气运动研究开始,不过比发达国家晚一些。在50年代,我国开始建立了大规模的气象观测网,重点开始研究东亚的大气环流,从青藏高原对东亚环流和对中国天气影响入手,并且很快地达到了相当高的水平。1956年由叶笃正和顾震潮两位先生 做出的成果赢得了我国大气科学界的第一项国家自然科学奖。这点我们已在本书前面有关章节中讲过,打倒“四人帮”以后,这方面工作进一步有了很大的发展。到了1987年,由叶笃正、陶诗言两位先生和他们的合作者朱抱贞、陈隆勲两位教授完成的“东亚大气环流”重大成果赢得了国家自然科学一等奖,形成了我国大气科学研究中的顶峰式成就,是我国建立国家自然科学奖制度后,近五十年来我国大气科学界荣获的唯一一项国家自然科学一等奖。

由于大尺度的大气运动是产生各种天气变化的主导因子,所以对大尺度运动的研究始终居大气科学领域的核心地位。近年来又有了新的发展,由于70年代以来出现了世界范围的气候异常,人类面临着日益严重的粮食、能源和水资源危机。这就使得大尺度的研究,在时间上向更长的气候尺度前进。气候变化的动力学研究做为一个新的重大的前沿课题,摆在了气象界面前。在我国又是叶笃正先生承担了开辟并发展气候动力学的任务。不仅如此,全球气候变化还涉及到多国国际合作,和多学科合作研究的问题。不是一个国家一个单独的气象学科所能完成。因此,1986年国际科学联合会决定要制定一个宏伟的国际地圈-生物圈研究计划(IGBP),并成立了相应的机构,负责该计划的组织、规划、实施和协调。1988年由中国气象学会、中国环境学会、中国水利学会、中国林学会、中国自然资源学会、中国生态学会以及中国矿物岩石和地球化学学会联合组建了上述国际地圈-生物圈研究计划(IGBP)的中国委员会。叶笃正先生又理所当然地被选为该委员会的主席。由此可见,大尺度大气运动研究现在已经演变为一个规模十分壮观、十分宏伟的超巨型的大科学研究规划了。这当然是在人类社会发展所面临的危机推动下促成的。

然而单单的大尺度研究还不能满足人类社会的全部要求。由于现有的气象台站网,尤其是探空台站网是为了捕捉大尺度大气运动而建立起来的,它的网距尺度数量级就是102公里,用这样粗的网当然无法捕捉到比大尺度小的中小尺度的天气系统。不幸,一些灾害性天气往往是和中小尺度,特别是中尺度系统相联系。因此就常会有灾害性天气已经发生,但是在反映大尺度运动的一般天气图上却找不到它的踪影。于是开展中小尺度大气运动的研究势在必行。这事的起步大体在20世纪中叶。对中小尺度系统的动力学研究,国际上大体上始于50年代,我国则从60年代开始,到现在它已成为一个相当活跃的,又一个重要前沿课题,与大尺度运动,和气候动力学一起,是气象学中的三大前沿重点课题。单单拿中小尺度系统所形成的一个冰雹问题而言,就吸引了众多的科学家的注意。在我国,由于我国是一个雹灾多发地区,研究者就更多,工作就更加活跃。我们在本书前面已提到我的老同学许焕斌教授等人的《雹云物理与防雹的原理和设计》是最新的一项成果,发表于2004年。在此之前,早在1978年已故气象学家雷雨顺等人就出版了《冰雹概论》一书。紧接着在1979年徐家骝又出版了《冰雹微物理与成雹机制》一书。然后,1980年黄美元等人又出版了《人工防雹导论》。1994年王雨增等人出版了《人工防雹实用技术》。1999年段炎等人又出版了《冰雹》一书。这样,从1978年开始到2004年为止,二十六年来就相继出版了6本包括冰雹微物理、宏观动力学与人工防雹等课题的专著,可见工作之活跃,由中小尺度系统引发的冰雹灾害之严重。除此之外,还有暴雨和雪暴灾害等等。因此中尺度大气系统之所以能成为气象界的一个前沿重点问题就是理所当然了。

 

 



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