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百科   關于沙塵暴的常識性錯誤
百科 關于沙塵暴的常識性錯誤
《國家人文歷史》 張宏仁     阅读简体中文版


媒體報道稱,4月15日傍晚,北京遭遇了近13年來最強沙塵暴,而中央氣象臺也適時發布了沙塵暴藍色預警。不過,我們在一片驚嘆與哀怨聲中討論“沙塵暴”時,很可能犯下了一個長久以來被忽視的常識性錯誤。


“沙塵暴”并非一個準確的科學名詞。全世界與沙塵有關的重大災害性天氣事件都是“塵暴”,而不是“沙暴”,更不可能是“沙塵暴”。在風力的作用下,“沙”與“塵”會徹底地“分道揚鑣”。大風從遙遠的北方刮到北京的是“塵”,而不是“沙”。遺憾的是,這樣一條早已確立的、簡單的原理在我國學術界卻沒有成為“常識”。因為沒有準確而清晰地認識,與“塵暴”相關的成因、來源及其治理方式,常年來都可能存在問題。


塵暴肆虐前后的清華大學主樓。清華大學教授劉立/供圖


細分巖石顆粒

在我國的傳統歷史文化中,“沙”這個詞深入人心。“飛沙走石”“疾風沖寨起,沙礫自飄揚”等等不一而足。而“塵”這個詞主要用于家居,極少用于野外的自然現象。很可能在古人的概念中,“沙”這個詞既包括“沙”也包括“塵”。


直到現代地質學傳到我國,人們才對不同大小的巖石顆粒進行細分為礫、沙、塵、黏土。然而對“塵”這個粒級常常用“粉沙”一詞代替,還是沒有甩掉“沙”字,“沙”與“塵”仍然沒有截然分開。


乍一看,沙和塵都是巖石風化的產物,似乎沒必要分那么清楚。然而一旦沙與塵生成以后,它們在風力作用下的習性卻大相徑庭。正是由于這種習性,風力能把塵與沙分選得非常干凈、徹底。


4月15日,北京上空塵土飛揚。


風力分選的原理并不復雜。我們都很熟悉伽利略的“比薩斜塔試驗”,我們可以對砂粒進行類似的試驗。人們把石英顆粒研磨成不同直徑的球,然后測試它們在靜止的、完全沒有風的空氣中降落的情況。從比薩斜塔落兩個鐵球,空氣的摩擦阻力小到可以忽略不計。但對砂粒來說,空氣的摩擦阻力具有重要作用。


在自然條件下,空氣永遠不會是靜止的,“風”就是運動中的空氣。如果空氣運動向上的速度分量大于顆粒的“終極沉降速度”,顆粒就會永遠懸浮在空氣中。雖然風速變化無常,但只要平均風速比顆粒的“最終沉降速度”大很多,顆粒懸浮在空氣中的概率就是很大的。可以認為,只要一有風吹草動,塵埃肯定會懸浮在空氣中。因此,對巖石顆粒所作的“比薩斜塔試驗”會得出有趣的結果:顆粒直徑小的塵埃顆粒會長時間懸浮在空氣中,顆粒直徑略大的沙粒只能短暫地離開地面,很快便會回落到地面。


如果您有機會到塔里木盆地去走一走,可以看到戈壁和沙丘。在戈壁灘表面,很難找到沙粒。相反,如果到沙丘分布地區去,在沙丘上取一個沙樣,作一個簡單的機械分析,就會發現:沙丘里的沙分選極好,既無礫石,又絕少粉砂(塵)和土。


“沙”與“塵”分道揚鑣

大量的塵粒,在風的反復作用下,或早或晚會被風刮到下風向遙遠的地方沉積下來,最終形成黃土。于是,在風力的作用下,由巖石風化形成的碎屑被分選成三處,礫石被留在本地,形成戈壁灘,沙則在離母巖不遠的地方形成沙丘,并緩慢地順風向移動,粉塵則被風帶到很遠的地方,形成黃土沉積。


英國人拜格諾在他的著作《風沙和荒漠沙丘物理學》中指出:“由于沒有把沙和塵區別開,對于沙暴常有誤解。在干旱地區中,如果氣候平靜了一陣以后,繼之,強風自新方向吹來,空中便會彌漫著小顆粒。在沒有多少或完全沒有細砂的沖積地區,例如伊拉克及卡爾通附近,塵土可以形成密云,飛揚到幾千尺之高,長期遮蔽天日。雖然這常被錯誤地引用“沙暴”兩字來描述,但它顯然是“塵暴”。由于沉速微小,極細的塵粒可被風的內部運動所產生的向上氣流所帶起,并懸浮在空中。”


在風力的作用下,“沙”與“塵”會徹底地“分道揚鑣”。這也就是為什么被大風從遙遠的北方刮到北京的是“塵”,而不是“沙”。遺憾的是,這樣一條早已確立的、簡單的原理在我國學術界卻沒有成為“常識”,否則就不會有幾年以來的爭論了,也不會把北方的沙丘當作北京的“風沙源”了。



4月15日,中央氣象臺發布“沙塵暴”藍色預警。來源:中央氣象臺網站

其實,不僅在中國,全世界各地,凡是影響面大的,都是“塵暴”而不是“沙暴”。“沙暴”只能在沙源附近,如裸露的巖石風化面、荒漠沙丘或岸邊沙丘附近施虐。有趣的是,用“sand dust storm”(沙塵暴)在網上搜索時,找到的絕大部分是中國的網站,國外的網站所提供的信息絕大多數是有關“塵暴”的。


一旦確信肆虐的是“塵暴”,我們就可以把沙丘、沙地排除在“塵暴”的來源之外。因為沙丘基本不含“塵”。我國的幾大沙漠不是“塵暴”的物質來源。那么大量的塵來自何方呢?


“塵暴”從何而起

毫無疑問,塵只能來自地表有塵的地區。首先,塵來自干旱、半干旱地區一些過去曾受到植被或地表鈍化層保護的地區,由于開墾荒地和過度放牧使得植被或地表鈍化層被破壞,使得含有大量塵的巖石風化產物暴露在風力作用之下。美國20世紀30年代的“黑風暴”和澳大利亞的“紅風暴”是兩個典型的例子。


20世紀30年代恰逢第一次世界大戰以后,大批美國農民遷移到中央平原去開荒。1933年到1936年出現了連續干旱,由于植被已破壞,塵土失去了保護層,狂風一起,大量塵土被卷人大氣層,形成延續幾年的塵暴,危及德克薩斯、新墨西哥等幾個州,面積達6億畝。


澳大利亞中昆斯蘭等地氣候炎熱,雨量稀少,加上過度放牧以及兔子對植被的破壞,為“塵暴”提供了大量物質來源。由于土壤的鐵被氧化成紅色,所形成的“塵暴”呈紅色。


4月15日,塵暴籠罩下的北京奧林匹克公園“玲瓏塔”。


我國西北的大片地區,屬于內陸河地區,包括內蒙古、甘肅、新疆相當大面積的地區的塔里木河、黑河以及石羊河等。幾十年來,由于上游地區不斷擴大灌溉面積,逐漸耗盡了本來流入下游尾閭湖的地表水資源,使得面積很大的湖泊干涸。從而為塵暴提供了大量物質來源。


南疆的和田地區在綠洲附近以方格網的形式植樹造林、保護農田,由于過多地占用了原來流向下游的水資源,使得當地的浮塵天氣比過去增加了一倍。


“塵暴”和“沙暴”須分頭治理

弄清原理以后,在治理的辦法方面就有可能逐步取得統一的認識。

首先,在干旱、半干旱地區不能任意開荒。此前實行的“退耕還草”可能是有效的措施。


其次,在充分論證的基礎上,逐步恢復河流的尾閭湖泊,減少塵的物質來源。在黑河、塔里木河等地,已經開始這方面的工作。然而上游灌區已成事實,建議調查研究減少從綠洲到尾閭之間河道蒸發損失的方案。這部分損失可能足以維持尾閭湖泊一定的面積。


有一點需要認清:近年來亞洲發生的重大塵暴,來源不全在中國。中國只能承担應當承担的那一部分責任,而不能為全部問題背黑鍋。我們應當抓住這個機會開展國際合作,與上風向、下風向的國家聯合起來,共同探討解決的途徑。


人們常說“一團散沙”,然而,和人們的印象相反,沙不喜歡散居,而喜歡扎堆。在風力作用下,沙粒只能在地表附近跳躍前進,稍微遇到一點阻礙,就會停下來。而停下來的沙粒又會成為別的沙粒前進的阻礙,于是沙越積越多、越積越高,成為沙丘。沙粒大量集中在沙丘里,而沙丘與沙丘之間常常沒有沙粒。在塔里木盆地可以見到很多“紅柳丘”。沙粒受紅柳的阻擋堆積在灌木的周圍,逐漸把紅柳埋沒,而紅柳為了生存向上長高,于是沙丘越堆越高,形成“紅柳丘”。


沙的這種習性,使得植樹造林成為防沙固沙的有效手段。


4月15日,塵暴突襲北京組圖


來源:賽先生,微信:iscientists

作者:張宏仁,國際地質科學聯合會前主席

文中部分圖片由《賽先生》編輯部通過微信朋友圈征集獲得。

2015-08-23 08:48

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