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第11章 变幻莫测的天空——关于气象的小科学(3)

由于城市空气中含有大量的凝结核,故城市中雾的频率较大,这与城市和工业区上空大气污染的加剧有关。城市雾以冬季早晨出现的频率最大,通常从日落后就开始有雾出现,一直要持续到次日清晨日出以后,有时则要到中午前后才消散。城市雾的分布,以市中心区和工业区为最多,且有随着城市规模的不断扩大而增加的趋势。

城市雾的出现,使能见度大下降低,城市交通事故增加,并且阻滞了空气中有害气体和固体微粒的消散,太阳辐照度和日照时数也大大减少。持续而稳定的城市雾,使空气中二氧化硫、烟尘的含量大大增加,对交通运输、电网安全、城市环境和人体健康都具有很大危害。

(1)雾对交通运输的危害

浓雾是影响交通的最危险灾害性天气,大雾天气飞机无法正常起落,影响航空正常动作;大雾笼罩时各种车辆只能低速行驶,尤其是高速公路在大雾天气通常都要关闭铁路交通事故也有不少是浓雾引起的;浓雾也是港口城市最危险的天气。海口和港口附近水道狭窄,明沙暗礁星罗棋布,来往船只特别频繁。大雾时很容易迷失航向造成海损事件。长江口的航行事故中以大雾迷航者最多,尽管有雷达等现代导航设备,仍难根除大雾引起的海难。

(2)加重空气污染

雾出现时地面风速一般较小,近地层气层稳定,不利于污染物的扩散和稀释。近年来随着城市的发展,工厂和汽车排放污染物增多,在风力微弱、相对湿度较大、大气层结稳定或有逆温层存在的晴朗夜晚,大量烟气和极细微的粉尘漂浮在城市上空常形成烟尘雾,城市雾、霾日数增多已成为大气污染的一个标志。

(3)危害人体健康

雾危害人体健康城市雾、霾中的污染物质和致病微生物是危害人体健康的根本原因,酸、氨、酚、苯等有毒有害物质及各种病原微生物滞留其中,积聚到一定浓度就会刺激人体的某些敏感部位,引起气管炎、喉炎、结膜炎和一些过敏性疾病,甚至危及年老体衰者的生命。浓雾天气凝结核与水结合使病菌异常活跃,肺结核、脑膜炎、脊髓灰质炎、感冒等传染病都可通过呼吸道传染。有雾时由于湿度大使人精神不佳感到沉闷,有的人甚至喜怒无常。人在雾中长时间锻炼或劳动,汗液蒸发缓慢,常因热量不易散发而感到不适。

(4)影响供电、通信系统

浓雾中由于空气湿度大且许多污染物颗粒以离子形态漂浮,雾滴沾在输变电设备表层会使绝缘能力迅速下降,超过其抗污能力时会出现线路闪络、微机失控、开关跳闸,从而发生停电、断电故障,严重影响各业生产和生活用电,造成严重经济损失和政治影响。雾滴沾在通信线路表层还会影响微波及卫星通信,使信号锐减、杂音增大、通信质量下降。

知识卡片:

“雾”和“霾”的区别

一般来讲,雾和霾的区别主要在于水分含量的大小:水分含量达到90%以上的叫雾,水分含霾晨量低于80%的叫霾。80%~90%之间的,是雾和霾的混合物,但主要成分是霾。就能见度来区分:如果目标物的水平能见度降低到1千米以内,就是雾;水平能见度在1千米~10千米的,称为轻雾或霾;水平能见度小于10千米,且是灰尘颗粒造成的,就是霾或灰霾。另外,霾和雾还有一些肉眼看得见的“不一样”:雾的厚度只有几十米至200米,霾则有1千米~3千米;雾的颜色是乳白色、青白色,霾则是黄色、橙灰色;雾的边界很清晰,过了“雾区”可能就是晴空万里,但是霾则与周围环境边界不明显。

7.闪电和雷鸣的奥秘

当天空乌云密布,雷雨云迅猛发展时,突然一道夺目的闪光划破长空,接着传来震耳欲聋的巨响,这就是闪电和打雷,亦称为雷电。雷属于大气声学现象,是大气中小区域强烈爆炸产生的冲击波形成的声波,而闪电则是大气中发生的火花放电现象。

闪电现象

雷暴时的大气电场与晴天时有明显的差异,产生这种差异的原因,是雷雨云中有电荷的累积并形成雷雨云的极性,由此产生闪电而造成大气电场的巨大变化。但是雷雨云的电是怎么来的呢?也就是说,雷雨云中有哪些物理过程导致了它的起电?为什么雷雨云中能够累积那么多的电荷并形成有规律的分布?在雷雨云的发展过程中,最主要的起电机制还是由于水滴冻结造成的。只有当云顶呈现纤维状丝缕结构时,云才发展成雷雨云。飞机观测也发现,雷雨云中存在以冰、雪晶和霰粒为主的大量云粒子,而且大量电荷的累积即雷雨云迅猛的起电机制,必须依靠霰粒生长过程中的碰撞、撞冻和摩擦等才能发生。

闪电的形状最常见的是枝状,此外还有球状、片状、带状。闪电的形式有云天闪电、云间闪电、云地闪电。

球形闪电

伴随闪电而来的,是隆隆的雷声。闪电通路中的空气突然剧烈增热,使它的温度高达15000—20000℃,因而造成空气急剧膨胀,通道附近的气压可增至一百个大气压以上。紧接着,又发生迅速冷却,空气很快收缩,压力减低。这一骤胀骤缩都发生在千分之几秒的短暂时间内,所以在闪电爆发的一刹那间,会产生冲击波。冲击波以5000米/秒的速度向四面八方传播,在传播过程中,它的能量很快衰减,而波长则逐渐增长。在闪电发生后0.1—0.3秒,冲击波就演变成声波,这就是我们听见的雷声。

为什么我们总是先看到闪电,后听到雷声?很多同学都有这个疑问,小时认为是先闪电后打雷的呢。其实闪电和雷声是同时发生的,但它们在大气中传播的速度相差很大,光的传播速度要比声音的传播速度快得多,因此人们总是先看到闪电然后才听到雷声。光在空气里差不多每秒钟要走30万公里,用这样的速度,1秒钟可以围绕地球的赤道跑7圈半。声音在空气中每秒钟约走340米,差不多只有光速的九十万分之一。根据这个现象,我们可以从看到闪电起到听到雷声止,这一段时间的长短,来计算闪电发生处离开我们的距离。假如闪电在西北方,隔10秒听到了雷声,说明这块雷雨距离我们约有3400米远。

夜里打雷标志

既然天空里发生一次闪电,就有一次雷声,可有时候我们看到的闪电只一闪而过,而听到的雷声是隆隆不绝的,响好久才停。这是因为天空的闪电,一般是很长的,有的线形闪电长达2~3公里,甚至10公里左右。由于闪电各部分跟我们的距离不同,所以雷声传到我们耳边的时间就有先有后了。另一方面,闪电往往不是发生一次就停下来,常常在一刹那间连续一连串地闪几次,那么当第一次放电的雷声还没有继续,又传来了第二、第三次放电的雷声,先后的雷声混合在一起,就成了隆隆不断的雷声。

另外,当雷声遇到地面、建筑物、高山或天空的云层时,都会发生反射,产生回声。这些回声传到我们耳朵里的时间也是不一致的,因此也就形成了隆隆的雷声。有时候由于几种原因凑到一起,隆隆不绝的雷声甚至可以连续响到1分钟左右才停下来。

闪电通常是在有雷雨云时出现,偶尔也在雷暴、雨层云、尘暴、火山爆发时出现。

知识卡片:

闪电的过程

如果我们在两根电极之间加很高的电压,并把它们慢慢地靠近。当两根电极靠近到一定的距离时,在它们之间就会出现电火花,这就是所谓“弧光放电”现象。

雷雨云所产生的闪电,与上面所说的弧光放电非常相似,只不过闪电是转瞬即逝,而电极之间的火花却可以长时间存在。肉眼看到的一次闪电,其过程是很复杂的。当雷雨云移到某处时,云的中下部是强大负电荷中心,云底相对的下垫面变成正电荷中心,在云底与地面间形成强大电场。在电荷越积越多,电场越来越强的情况下,云底首先出现大气被强烈电离的一段气柱。这种电离气柱逐级向地面延伸,携带巨大电流,沿第一次闪击的路径飞驰向地面,当它离地面5─50米左右时,地面再向上回击,再形成光亮无比光柱,这即第二次闪击。接着又类似第二次那样产生第三、四次闪击。通常由3─4次闪击构成一次闪电过程。

一次闪电过程历时约0.25秒,在此短时间内,窄狭的闪电通道上要释放巨大的电能,因而形成强烈的爆炸,产生冲击波,然后形成声波向四周传开,这就是雷声或说“打雷”。

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