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【科普漫谈】大气也在呼吸

已有 2610 次阅读 2014-6-15 15:55 |个人分类:大气呼吸过程|系统分类:科普集锦| 大气, 呼吸

 

【科普漫谈】大气也在呼吸

来源:中国气象报社 发布时间:2014年06月15日

张学文

 

 

 

 

 

 

   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)

 

 

 

 

 



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