开启出土模式:“沙尘暴”这一概念从名字上就错了

2017-05-05 18:51

  来源:赛先生公众号

  2017年5月4日,尘暴天气席卷了北京及整个华北地区。气象台发布“沙尘暴”蓝色预警,各大媒体也将“北京遭遇近年最强沙尘天气”列为头条。然而,又有多少人知道“沙尘暴”并非一个准确的科学名词?

  沙子不能远走高飞,因此真正长距离刮来、造成灾害性天气事件都是“尘暴”,而不是“沙暴”,更不可能是“沙尘暴”。清楚了尘暴产生的源头,才能更好地治理。

  撰文 张宏仁(国际地质科学联合会前主席)

2017年5月4日,尘暴天气下的北京,下同。(三万 摄)2017年5月4日,尘暴天气下的北京,下同。(三万 摄)

  细分岩石颗粒

  在我国的传统历史文化中,“沙”这个词深入人心。“飞沙走石”“疾风冲寨起,沙砾自飘扬”等等不一而足。而“尘”这个词主要用于家居,极少用于野外的自然现象。很可能在古人的概念中,“沙”这个词既包括“沙”也包括“尘”。

  直到现代地质学传到我国,人们才对不同大小的岩石颗粒进行细分为砾、沙、尘、黏土。然而对“尘”这个粒级常常用“粉沙”一词代替,还是没甩掉“沙”字, “沙”与“尘”仍然没有截然分开。

  乍一看,沙和尘都是岩石风化的产物,似乎没必要分那么清楚。然而一旦沙与尘生成以后,它们在风力作用下的习性却大相径庭。正是由于这种习性,风力能把尘与沙分选得非常干净、彻底。

  风力分选的原理并不复杂。我们都很熟悉伽利略的“比萨斜塔试验”,我们可以对砂粒进行类似的试验。人们把石英颗粒研磨成不同直径的球,然后测试它们在静止的、完全没有风的空气中降落的情况。从比萨斜塔落两个铁球,空气的摩擦阻力小到可以忽略不计。但对砂粒来说,空气的摩擦阻力具有重要作用。

  在自然条件下,空气永远不会是静止的,“风”就是运动中的空气。如果空气运动向上的速度分量大于颗粒的“终极沉降速度”,颗粒就会永远悬浮在空气中。虽然风速变化无常,但只要平均风速比颗粒的“最终沉降速度”大很多,颗粒悬浮在空气中的概率就是很大的。可以认为,只要一有风吹草动,尘埃肯定会悬浮在空气中。因此,对岩石颗粒所作的“比萨斜塔试验”会得出有趣的结果:颗粒直径小的尘埃颗粒会长时间悬浮在空气中,颗粒直径略大的沙粒只能短暂地离开地面,很快便会回落到地面。

  如果您有机会到塔里木盆地去走一走,可以看到戈壁和沙丘。在戈壁滩表面,很难找到沙粒。 相反,如果到沙丘分布地区去,在沙丘上取一个沙样,作一个简单的机械分析,就会发现:沙丘里的沙分选极好,既无砾石,又绝少粉砂(尘)和土。

(三万 摄)(三万 摄)

  “沙”与“尘”分道扬镳

  大量的尘粒,在风的反复作用下,或早或晚会被风刮到下风向遥远的地方沉积下来,最终形成黄土。于是,在风力的作用下,由岩石风化形成的碎屑被分选成三处,砾石被留在本地,形成戈壁滩,沙则在离母岩不远的地方形成沙丘,并缓慢地顺风向移动,粉尘则被风带到很远的地方,形成黄土沉积。

  英国人拜格诺在他的著作《风沙和荒漠沙丘物理学》中指出:“由于没有把沙和尘区别开,对于沙暴常有误解。在干旱地区中,如果气候平静了一阵以后,继之,强风自新方向吹来,空中便会弥漫着小颗粒。在没有多少或完全没有细砂的冲积地区,例如伊拉克及卡尔通附近,尘土可以形成密云,飞扬到几千尺之高,长期遮蔽天日。虽然这常被错误地引用“沙暴”两字来描述, 但它显然是“尘暴”。由于沉速微小,极细的尘粒可被风的内部运动所产生的向上气流所带起,并悬浮在空中。”

  在风力的作用下,“沙”与“尘”会彻底地“分道扬镳”。这也就是为什么被大风从遥远的北方刮到北京的是“尘”,而不是“沙”。遗憾的是,这样一条早已确立的、简单的原理在我国学术界却没有成为“常识”,否则就不会有几年以来的争论了,也不会把北方的沙丘当作北京的“风沙源”了。

  其实,不仅在中国,全世界各地,凡是影响面大的,都是“尘暴”而不是“沙暴”。“沙暴”只能在沙源附近,如裸露的岩石风化面、荒漠沙丘或岸边沙丘附近施虐。有趣的是,用“sand dust storm”(沙尘暴)在网上搜索时,找到的绝大部分是中国的网站,国外的网站所提供的信息绝大多数是有关“尘暴”的。

  一旦确信肆虐的是“尘暴”,我们就可以把沙丘、沙地排除在“尘暴”的来源之外。因为沙丘基本不含“尘”。我国的几大沙漠不是“尘暴”的物质来源。那么大量的尘来自何方呢?

尘暴中全副武装的路人(志英 摄)尘暴中全副武装的路人(志英 摄)

  “尘暴”从何而起

  毫无疑问,尘只能来自地表有尘的地区。首先,尘来自干旱、半干旱地区一些过去曾受到植被或地表钝化层保护的地区,由于开垦荒地和过度放牧使得植被或地表钝化层被破坏,使得含有大量尘的岩石风化产物暴露在风力作用之下。美国20世纪30年代的“黑风暴”和澳大利亚的“红风暴”是两个典型的例子。

  20世纪30年代恰逢第一次世界大战以后,大批美国农民迁移到中央平原去开荒。1933 年到1936 年出现了连续干旱,由于植被已破坏,尘土失去了保护层,狂风一起,大量尘土被卷人大气层,形成延续几年的尘暴,危及德克萨斯、新墨西哥等几个州,面积达 6 亿亩。

  澳大利亚中昆斯兰等地气候炎热,雨量稀少,加上过度放牧以及兔子对植被的破坏,为“尘暴”提供了大量物质来源。由于土壤的铁被氧化成红色,所形成的“尘暴”呈红色。

  我国西北的大片地区,属于内陆河地区,包括内蒙古、甘肃、新疆相当大面积的地区的塔里木河、黑河以及石羊河等。几十年来,由于上游地区不断扩大灌溉面积,逐渐耗尽了本来流入下游尾闾湖的地表水资源,使得面积很大的湖泊干涸。从而为尘暴提供了大量物质来源。

  南疆的和田地区在绿洲附近以方格网的形式植树造林、保护农田,由于过多地占用了原来流向下游的水资源,使得当地的浮尘天气比过去增加了一倍。

  “尘暴”和“沙暴”须分头治理

  弄清原理以后,在治理的办法方面就有可能逐步取得统一的认识。

  首先,在干旱、半干旱地区不能任意开荒。此前实行的“退耕还草”可能是有效的措施。

  其次,在充分论证的基础上,逐步恢复河流的尾闾湖泊,减少尘的物质来源。在黑河、塔里木河等地,已经开始这方面的工作。然而上游灌区已成事实,建议调查研究减少从绿洲到尾闾之间河道蒸发损失的方案。这部分损失可能足以维持尾闾湖泊一定的面积。

  有一点需要认清:近年来亚洲发生的重大尘暴,来源不全在中国。中国只能承担应当承担的那一部分责任,而不能为全部问题背黑锅。我们应当抓住这个机会开展国际合作,与上风向、下风向的国家联合起来,共同探讨解决的途径。

  人们常说“一团散沙”,然而,和人们的印象相反,沙不喜欢散居,而喜欢扎堆。在风力作用下,沙粒只能在地表附近跳跃前进,稍微遇到一点阻碍,就会停下来。而停下来的沙粒又会成为别的沙粒前进的阻碍,于是沙越积越多、越积越高,成为沙丘。沙粒大量集中在沙丘里,而沙丘与沙丘之间常常没有沙粒。在塔里木盆地可以见到很多“红柳丘”。沙粒受红柳的阻挡堆积在灌木的周围,逐渐把红柳埋没,而红柳为了生存向上长高,于是沙丘越堆越高,形成“红柳丘”。

红柳(图片来源:Alexandru Panoiu/CC BY 2.0)

红柳(图片来源:Alexandru Panoiu/CC BY 2.0)

  沙的这种习性,使得植树造林成为防沙固沙的有效手段。

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