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大气存在呼吸过程 张学文 写于2002/7/24，2011.4.6公布时修订了标题 注2011.4.6公布在科学网，现在贴于此。张学文，2013.10.18 1. 引言 经典气象学把下垫面看作是刚体，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，不仅本文题目是错的，地上沙尘也不可能进入空中。 但气象学的上述观点仅是近似。实际的下垫面不是刚体（海洋水面、土壤、沙漠、积雪等），垂直于地面的气流肯定存在，而吹雪、沙尘都是它的伴生现象。确实，通过吹雪、沙尘现象使我们坚信存在着垂直于下垫面的气流。承认其存在对气象学是理论突破。大气存在呼吸过程。 2. 车轮过后的尘土飞扬 夏日中午，汽车在干的土路上行驶很容易卷起几米高沙尘。这个现象不能用“轮胎粘了土”去解释。夏日中午下垫面附近的气层非常不稳定固然是一个原因，而更本质的原因是汽车轮胎迅速离去引起局部短时间的真空，它使土层内的空气压力大于下垫面以上的空气薄层内的压力。这时贴地面处的大气压力是下面大，上面小。对于下垫面表层的土壤颗粒而言，粒子的下侧受到的向上的压力大于粒子上部受到的向下的压力。于是土粒子受到的向上合力的作用从地面进入大气中。这正是汽车过后尘土飞扬的直接物理原因。如果近地面气层中还存在热力不稳定，这些尘土就容易扩散到几米高。 这种压力差既然可以使土粒向上运动，它当然也使存在于土壤中的空气向上运动，它就是垂直于下垫面的气流。 3. 整理思路 我们知道在土壤中存在空气，而且它也产生压力。正常情况下土壤中的空气压力与近地面的大气压力是相等的。车轮离开当地的速度越快它形成的短时刻的真空越严重，它引起的尘土飞扬就越是严重。与此相伴的上升气流（短程）也越大。 如果没有车轮压过，细土粒就平安地呆在地面附近，也不存在上升气流，也没有尘土飞扬。所以尘土上扬仅出现于车轮过后的局部地面和局部时间。 地球的大半被水水包围。水里有空气是生活常识（如果没有空气，则鱼都死了）。所以当水面附近的大气压力出现不平衡时也存在垂直于下垫面的气流。酥松的积雪里的空气压力与大气中的空气压力相等自然是它们的平衡态。如果这个平衡被破坏，积雪就会进入大气中，这就是气象学上的“吹雪”。 4. 浮尘、沙尘暴、吹雪的成因 汽车引起的扬沙（沙尘暴）仅是局部地区局部时间的现象。现在分析自然界的沙尘暴。我们认为气压和风的阵性有着类似于车轮压过土路的作用。 如果注意比较灵敏的气压自计纸上的气压记录，就会发现有大风的情况下，气压记录曲线总是有很多非常小的振动（有时使原来的一条细线变得很粗），其时间大约是数秒或者更短，其压力变化是百帕数量级。容易想象这种变化不可能各地都同步。只要土壤中、积雪中或者水面中的大气压力的变化与贴地的空气压力变化不同步，就自然在贴地层上下出现铅直方向的压力不平衡。而这种不平衡就会引起垂直于下垫面的气流。 气压的这种脉动人们没有直接感受，但是在近地面，我们总是可以感到风的阵性，即风的速度在很短的时间（如数秒或者更短）内会有相当大的变化。这种现象在风速很大时会更加明显。在风的自计纸上也记录着这个现象。气压的脉动和风的脉动是同一个时间尺度的现象。它们是一个自然过程的两个侧面。 对此，流体的柏努利方程应当是有效的。根据该方程容易得到风速变化与气压变化的定量关系。它帮助我们在承认风有阵性的同时也承认大气压力也有对应的变化。而正是气压的这个短历时的快速度的变化使土壤、沙漠、积雪、水体内的空气压力不能与近地面处的空气压力同步变化。于是下垫面附近就出现了压力差。 当这个压力差指向上空时，土粒、沙粒、雪花、水末（有时还有石子）就被带入空气。如果近地面空气存在热力不稳定，这些进入空气的土粒、沙粒、雪花、水末就会被送到数米以至更高的地方，形成了沙尘暴、浮尘、吹雪。所有这些都发生在水平风速很大的前提下。而这个水平风速又把这些卷入大气中的细粒吹到更远的地方。 细小的水末是眼睛看不见的。它也被卷入空中仅是我们的分析。但是空气中存在大量的海盐微粒从另外一个侧面说明有液体水直接进入大气。 （有大风时）风的阵性联系着大气压力的阵性（脉动），大气压力的脉动导致下垫面内的大气压力与地面附近空气中的大气压力的不平衡。而这种压力的不平衡正是土粒、沙尘、积雪、海水（滴）被推出下垫面进入大气的原因。 与这个过程平行，当压力差指向空中时，存在从下垫面到大气的上升气流，反之存在下沉气流。这就是空气实现了穿过下垫面的吞吐。即大气对下垫面的呼吸过程。 5. 更大尺度的空气吞吐 前面讨论的垂直于下垫面的气流显然仅是局部地区比较短的时间内的现象。现在考虑更大的空间和时间尺度的垂直于下垫面的气流是否存在的问题。 刚打开的啤酒总是要冒泡。气泡就是原来压缩在液体（啤酒）中的气体（二氧化碳）。打开啤酒瓶使啤酒受到的外界的气体的压力突然减小。结果液体中的气体就在原来的高压力的推动下进入了空气（压力低）中，于是形成气泡。 类似地，如果有一个低气压系统（如台风）移动到某海域，这时近地面的空气压力低于海水中的空气压力。于是应当有向上的气流把海水中的空气吐入大气。反之，当一个高压系统迅速移入某地，它导致短时期（一、二天）内下垫面上下压力不平衡，空气要从大气层进入下垫面中。 从大气到下垫面的空气吞吐显然是合理的，海洋鱼类有足够的氧气得以生存可能是这个垂直下垫面的气流存在的旁证。不难想象以上过程也会发生在陆地上。而所有这些过程都是大范围的大气与下垫面之间的空气吞吐现象（速度要比引起沙尘暴的铅直气流慢）。 6. 每年与下垫面交换的空气有多少 过去不考虑有垂直下垫面的气流存在。现在承认了这种气流的存在，下一个问题是这种气流究竟在大气与下垫面之间交换了多少空气。如果这个量仅为大气总质量的万分之一或者更少，我们忽略它也无不可。如果占大气质量的10%可能就得慎重对待了。 考虑到空气在大气与下垫面之间的吞吐不可能比水汽的吞吐更困难（因为它不涉及蒸发潜热），而每年大气与下垫面之间的水汽吞吐就是年蒸发量（大约是1000毫米，也等于年降水量），所以我们初步估计大气与下垫面的空气吞吐量至少也有类似的规模。即年交换量可以达到大气总质量的10% 。 我们显然需要从多方面证明这个物理过程的存在（包括设计新仪器度量它），估量大气与下垫面之间的空气的年吞吐量以及它的各种影响（作用）也是任务。 7. 小结 比空气重的尘粒、雪花、石子为什么可以从下垫面进入大气？本文认为这是有阵风时下垫面附近存在短暂的局部的大气压力不平衡造成的。这种大气压力不平衡也导致大气与下垫面之间的空气吞吐。低气压和高气压系统的快速移动也可以形成比较弱但是范围要更大的下垫面附近的大气压力不平衡。它导致大范围的大气与下垫面之间的空气吞吐。估计每年有大气总质量的10%空气卷入这种吞吐过程。 本文从物理上解释了沙尘暴等自然现象，也突破了过去动力气象把下垫面视为刚体（垂直下垫面的风速为零）的禁锢。承认有空气从大气进入下垫面是气象理论的突破。自然这些需要有进一步的实验验证。
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发表于 2013-10-18 13:54:12
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发表于 2013-10-18 14:41:00
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