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云沙泱漭天光闭 精选

已有 8805 次阅读 2009-6-18 05:44 |个人分类:力学诗话|系统分类:科普集锦| 沙尘暴, 流体力学, 唐宋诗词, 流动不稳定性

—漫话沙尘暴及其形成原因
 
 
 
云沙泱漭天光闭,河色阴沉海色凝
崆峒异国谁能托,萧索边心常不乐。
 
这是唐代诗人胡皓《大漠行》的一段,形象地描述了西北大漠的沙尘天气,泱(yāng)指弘大,漭(mǎng)是广阔无边的意思,“云沙泱漭天光闭”形象地形容了沙尘暴使得天光失色的情景。
 
在唐诗中还有不少关于沙尘暴的描述,如:
 
崔湜 《塞垣行》
疾风卷溟海,万里扬沙砾。
仰望不见天,昏昏竟朝夕。
 
李白《北上行》
沙尘接幽州,烽火连朔方。
杀气毒剑戟,严风裂衣裳。
 
岑参《武威送刘单判官赴安西行营便呈高开府》
赤亭多飘风,鼓怒不可当。
有时无人行,沙石乱飘扬。
 
崔融《西征军行遇风》
北风卷尘沙,左右不相识。
飒飒吹万里,昏昏同一色。
 
李益《度破纳沙二首》之一
眼见风来沙旋移,经年不省草生时。
莫言塞北无春到,总有春来何处知。
 
佚名《婆罗门》
回乐峰前沙似雪,受降城外月如霜。
不知何处吹芦管,一夜征人尽望乡。
 
沙尘暴是我国西北地区和华北北部地区出现的强灾害性天气,可造成房屋倒塌、交通供电受阻或中断、火灾、人蓄伤亡,污染自然环境,破坏作物生长,给经济建设和人民生命财产安全造成严重的损失和极大的危害。
一场沙尘暴,发生在新疆、甘肃、宁夏、内蒙古……和发生在北京,是大不相同的。在西部边远地区,多一场、少一场,搅不起多大动静,而在北京发生一场沙尘暴,则会沸沸扬扬。由于近年来沙尘暴常在北京的春天出现,引起了人们的普遍关注,本文试从流动不稳定性的角度来讨论沙尘暴的起因。
 
     
 
 
沙尘暴形成有三个要素:即强风、沙尘源和不稳定的空气。
 
强风,是指足够强劲持久的大风,这是形成沙尘暴的动力条件。例如根据观测当强沙尘暴形成时,如果风速每秒达到30(11级风),那么粗沙(直径0.5~1.0毫米)会飞离地面几十厘米,细沙(直径0.125~0.25毫米)会飞起2米高,粉沙(直径0.05~0.005毫米)可达到1.5公里的高度,细尘埃(直径小于0.005毫米)则可飞到更高的高度。
 
沙尘源,是形成沙尘暴的物质基础。我国是世界上沙漠较多的国家之一,西北、华北和东北地区是我国沙漠和沙地集中分布的地方,这里沙漠和沙地面积达70万平方公里以上,沙漠中各式各样的沙丘,依照它们的稳定程度分为流动沙丘、半固定沙丘和固定沙丘。当强风发生时,流动沙丘扬起沙尘的数量最大,半固定沙丘要小一些,固定沙丘最小。除沙漠和沙地外,我国北方地区多属中纬度干旱和半干旱地区,地面多为稀疏草地和旱作耕地,植被稀少,加上人为破坏,当春季地面回暖解冻,地表裸露,狂风起时,沙尘弥漫,在本地及狂风经过的地带形成沙尘天气。
 
不稳定的空气,有利于强对流发展,以夹带更多的沙尘卷扬得更高。生活中的有一个常见的例子可以说明流动不稳定的影响:在捅火炉的时候,炉火烧得正旺,轻轻一捅,常会使炉灰飞满屋子;而当炉火熄灭后,使较大的劲捅,一般也不会扬起灰尘。这是因为炉火熄灭后,火炉上下的空气温度相差不大,因而空气稳定;当炉火燃烧很旺时,火炉上面的空气是不稳定的,靠近火炉上空的空气热,离火炉较远的空气较凉,热空气比冷空气轻,容易上升。所以,被捅火炉的灰很容易随着热空气向上升,飘飞满屋。
在自然界里,沙尘暴起沙尘的道理也是同样的,如果低层空气温度较低,比较稳定,受风吹动的沙尘将不会被卷扬得很高;如果低层空气温度高,则不稳定,容易向上运动,风吹动的沙尘将会卷扬得很高,从而形成沙尘暴。
实际上,我国沙尘暴一般在午后或午后至傍晚时刻最强,就是因为这是一天中空气最不稳定的时段。
 
 
北京2006416日下午发生的沙尘暴,曾引起大家议论纷纷为“满城尽带黄金甲”。专家们曾对这次降尘的沙尘样本做过捡测,由粒度的分析发现降尘中粒度直径小于0.074毫米的粉尘物质,占96以上,所以严格地说,这实际上是一场尘暴;化学成份的分析还表明,这些沙尘有很大部分来自干旱农田、撂荒地和退化的草场。
 
 
 
 
 
沙尘暴是一种全球气候现象。主要发生在风大的干旱地区。如中亚、北美干旱地区,澳大利亚、北非等地。我国的沙尘暴属于中亚干旱区。
 
张国藩教授1942年在西北工学院时,曾对风沙问题进行了研究。他用流体力学的观念,分析风夹沙的运动,写出了《我国北部沙漠之南移问题》一文,认为比空气重很多倍的粗沙,之所以会随风飘移,是由于空气湍流作用所致,根据湍流的普朗特混合长理论,分析粗沙在湍流作用下沿铅垂方向的浓度分布。然后推导出在风力作用下飘移沙量的公式,公式中除包含有关空气和粗沙的物理常数外,还与大气边界层的厚度、粗沙粒径的分布有关。他应用公式预测了我国北部沙漠在风力作用下,向南推移的输沙量。在缺乏观测资料的条件下,引用了一些相近似的外国数据进行计算,得到的结论是:我国北部沙漠将以每年7.65乘10的10次方吨的输运量向南迁移。若将此风沙量分布到内蒙、新疆的一部分,以及甘肃、陕西、山西、河北、河南各省,则每年沙的堆砌厚度可达0.47英寸。
 
据马恩春教授回忆,当时张国藩教授曾将此论文公布在原西北工学院的壁报上,对沙漠在风力作用下的扩大,提出了科学的论断,并呼吁对沙漠扩大现象进行控制,引起全校师生的广泛兴趣。后来,又在兰州召开的中国工程师学会上正式宣读,获得了工程学会论文奖。F.A.Zenz 1956年评价这一工作时认为:这是最早对气体或液体输送颗粒这一问题,所做的基础性研究。
 
在工程上,气流运沙有时也可用于某种具体的工程需要,例如河北唐山曹妃甸就在使用吹沙造地。
 






















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