經(jīng)典氣象學(xué)把空氣的下墊面( 是指與大氣下層直接接觸的地球表面)看作是剛體,認(rèn)為空氣不可能進(jìn)入下墊面(剛體),也沒(méi)有從下墊面進(jìn)入大氣的氣流。在這種模型下,垂直于地面的風(fēng)速等于零。但是,上述觀點(diǎn)僅是一種近似。實(shí)際的大氣下墊面(海洋水面、土壤、沙漠、積雪等)并不是剛體,垂直于地面的氣流肯定存在,而吹雪、沙塵、水龍卷都是它的伴生現(xiàn)象。也就是說(shuō),大氣存在著呼吸過(guò)程。
讓我們先來(lái)看一看,農(nóng)民為什么要耕地?從氣象角度來(lái)看,耕地就是使土壤變松,讓空氣進(jìn)入到土壤中。賣魚(yú)的商人為什么要在盆中通一個(gè)輸送空氣的管子?這是要為水里加進(jìn)空氣以維持魚(yú)的生命。魚(yú)如果得不到新鮮的空氣就會(huì)憋死,農(nóng)作物也需要從土壤里獲得空氣。這些例子說(shuō)明空氣是可以進(jìn)入到土壤或者海水這些下墊面的。
我們打開(kāi)一瓶啤酒,會(huì)看到大量的氣泡隨著啤酒一起冒出來(lái)。這氣泡是制造啤酒時(shí)壓入的二氧化碳。而打開(kāi)啤酒瓶時(shí),壓力的突然降低,使得大量的氣體從液體的啤酒中進(jìn)入到空氣中。此外,我們?cè)傧胂?,沙塵暴中那些本來(lái)安居于下墊面中的塵土為什么會(huì)進(jìn)入空氣中?很明顯,是有垂直于下墊面的氣流把這些細(xì)顆粒物帶入到了空氣中。仔細(xì)想想這些現(xiàn)象,我們應(yīng)該承認(rèn)空氣是可以進(jìn)入下墊面(海洋、土壤、積雪等)的,而下墊面有時(shí)也會(huì)把它含有的氣體再吐還給大氣。也就是說(shuō),大氣確實(shí)存在著呼吸過(guò)程。
那么空氣在什么情況下會(huì)擠入下墊面,又是在什么條件下吸收下墊面的氣體?我們首先需要考慮下墊面表層附近的氣壓差。如果空氣中的氣壓大于下墊面中的氣體壓力,則空氣被壓入下墊面;如果下墊面中的氣體壓力大于空氣壓力,則下墊面中的氣體就會(huì)向大氣釋放。夏日中午的汽車行駛在土路上會(huì)卷起數(shù)米高的塵土,是因?yàn)槠囕喿訅哼^(guò)地面以后會(huì)留下短暫的真空,中午土壤的溫度很高使得其中的氣體壓力變大。于是,土壤中的空氣壓力突然(短暫)高于空氣中的壓力而形成了塵土飛揚(yáng)的局面。所以,我們需要分析下墊面中的氣體壓力以及它與近地面空氣壓力的差值。
氣象學(xué)中的吹雪、沙塵暴、水龍卷、浮塵等自然現(xiàn)象,也可以從空氣的呼吸過(guò)程聯(lián)系起來(lái)認(rèn)識(shí)。在下墊面附近的風(fēng)存在著陣性,這種陣性反應(yīng)在空氣壓力上有短暫的變化(流體的伯努利方程),地面上積雪中的空氣不會(huì)立刻適應(yīng)它,于是就出現(xiàn)風(fēng)吹雪的現(xiàn)象。下午的土壤很熱,根據(jù)氣體的狀態(tài)方程,在體積不變時(shí)溫度的升高引起土壤中氣體壓力增加。一旦空氣壓力小于土壤中的氣體壓力,土壤中的空氣就迅速進(jìn)入大氣,而土壤中的細(xì)顆粒也隨之升天,這就是沙塵暴。以此類推,我們不難想像:當(dāng)一個(gè)氣壓很低的龍卷風(fēng)進(jìn)入水面時(shí),它會(huì)把水里的空氣吸入,也會(huì)附帶著把水變成水滴吸入空氣而成為水龍卷。
承認(rèn)空氣與下墊面之間的空氣吞吐,還使我們對(duì)霾的認(rèn)識(shí)有了新的視角。霾僅是由于人工排放的氣體污染物形成的嗎?下墊面既然把沙塵送入空中,為什么不能把塵埃、PM2.5這些更細(xì)的顆粒物送入空中呢?由此可以推出研究PM2.5的問(wèn)題,需要分析土壤中的氣體壓力以及它與地面大氣壓力的差值這一觀點(diǎn)。氣象部門(mén)過(guò)去開(kāi)展了對(duì)大氣的壓力、溫度、濕度以及土壤的溫度、濕度觀測(cè)。現(xiàn)在來(lái)看,根據(jù)以上觀點(diǎn)氣象部門(mén)應(yīng)當(dāng)再進(jìn)一步開(kāi)展土壤的氣體觀測(cè),即要建立土壤中(距離地面4米至10米)氣體壓力的測(cè)量?jī)x器、測(cè)量方法的研究以及布局土壤氣體壓力的觀測(cè)網(wǎng),用以輔助監(jiān)測(cè)、解決關(guān)于霧霾等環(huán)境問(wèn)題。
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