风吹沙尘物理学

风吹沙尘物理学摘要风吹沙尘运动是一种强有力的侵蚀力，它能够形成沙丘和沙浪，并且会使大气中充满悬浮粉尘气溶胶。

这篇文献是对地球和火星上的风沙运动的一个综述。

特别地，我们讨论了风沙跃移这种物理现象，沙丘和沙浪的形成和发展，粉尘气溶胶的扩散现象，发沙尘暴的天气现象以及由尘卷风和其他小规模漩涡带来的扬沙。

我们同样也讨论了金星、土卫六上的风沙运动现象。

ABSTRACTThe transport of sand and dust by wind is a potent erosional force, creates sand dunes and ripples, and loads the atmosphere with suspended dust aerosols. This paper presents an extensive review of the physics wind-blown sand and dust on Earth and Mars. Specifically, we review the physics of aeolian saltation, the formation and development of sand dunes and ripples, the physics of dust aerosol emission, he weather phenomena that trigger dust storms, and the lifting of dust by dust devils and other small-scale vortices. We also discuss the physics of wind-blown sand and dune formation on Venus and Titan.1 引言由风引起的沙尘的扩散、传输、沉积在学术上称为风蚀过程。

风蚀过程可以发生在任何一个有粒状物质且有足够强的风使他们运动的地方。

在地球上，它主要发生在沙漠、沙滩以及其它植被稀疏的地方，例如干河床。

在这些地方风沙运动通过沙丘和沙浪的形成、岩石的侵蚀以及固体颗粒的产生和传输来塑造地表形貌。

进一步说，产生的尘粒能够传输上千千米，因此，它会影响到天气、气候、生态系统 、水循环以及地球系统的其他组成部分。

但是风蚀过程不仅限于地球，在火星、金星、土星的卫星土卫六上都会发生风蚀过程。

在火星上，沙尘暴会偶尔会覆盖整个星球是太阳变得昏暗，比较小规模的尘卷风则会使白天的天空更干净。

火星的地表同样会形成广阔的新月丘、横向沙丘、纵向沙丘、星形沙丘以及其他在地球上还没有观察到的形状独特的沙丘。

在金星上，我们已经观察到了横向沙丘，在土卫六上也观察到了纵向沙丘的存在。

尘和沙通常指的是来源于岩石风化的无机固体颗粒。

在地质科学中，沙指的是直径在62.5m μ到2000m μ的矿物颗粒，尘是指直径小于62.5m μ的矿物颗粒。

在大气科学中，尘通常指的是能够稳定地悬浮在空气中的颗粒而沙很少能够悬浮，而是会形成沙丘和沙浪，他们共同称为Bedforms 。

1.1沙粒传输模型粒子的传输可以有好几种形式，而具体以哪种形式传输主要取决于粒子的尺寸和风速。

随着风速增加，由于流体曳力的存在，直径在100m μ附近的沙粒就会首先运动起来。

在被风扬起之后，这些粒子就会沿着地表跳跃，这个过程成为沙粒的跃移。

这些跳跃的沙粒能够使地面上很大尺度范围内的沙粒运动起来。

事实上，尘粒一般情况下是不会被风直接扬起的，因为，这些粒子间的粘性了比气动力要大。

这些小粒子主要是被跃移的沙粒驱赶而运动起来的，在被驱赶起来之后，尘粒会受到湍流脉动的影响而进入短期悬浮（20~70m μ）或长期（<20m μ）悬浮阶段。

长期悬浮的尘粒能够在空气中停留数周，而且可以传输数千米。

这些粉尘气溶胶会通过各种各样的内在运动影响地球和火星系统。

左右的沙粒由于其惯跃移的沙粒同样也能影响更大的沙粒。

然而，直径在500m性很大不能被风大幅度的加速，因而不能发生跃移。

它们通常在跳跃很短的一段距离（<1cm）后就会落回地面，或者这些粒子会在地面上滚动。

沙粒的蠕移在风沙运动总沙流量中占很大比例。

图1 风沙运动的不同模型图1.2 风沙运动对地球科学和行星科学的影响风沙运动通过在沿海和干旱地区形成沙丘和沙浪、风化岩石（导致了过去很长一段时间内土壤的形成）极大程度上影响了地球地表形貌的形成。

由于风蚀过程是由风和地表的相互作用而产生的，风成床面、风成沉积物能够提供过去大气和地表的状态信息。

例如，火星古代和当代历史重要的约束条件由对造型风、气候形貌学以及风成地表特征发展情况的观察时间推断来得出的。

最后，就如上面讨论的一样，风沙运动还是粉尘气溶胶形成的主要来源。

1.2.1 粉尘气溶胶对地球系统的影响粉尘气溶胶能够被很多大气现象所夹带，其中最为壮观的就是沙尘暴。

粉尘气溶胶和地球系统其他组成部分的相互作用常常对例如生态系统、天气、气候、水循环、农业、人类健康等方面造成复杂的影响。

这些影响中很多方面的重要性是近20年才被认识到的，而且它引起了人们对风蚀过程的研究兴趣。

然而，尽管很多针对矿物粉尘很多研究，但是它对地球系统的影响的很多方面还是未知的。

矿物粉尘对生物系统的影响主要是它通过沉积来递送营养物。

许多海洋生物群，如浮游植物，都是铁限制的，这样，由矿物粉尘沉积带来的生物相容性铁的供给被认为是一个控制海洋生产能力的重要因素。

相同的，很多陆地生态系统磷限制的，这样矿物粉尘沉积带来的磷对生态系统的生产力是很关键的，例如，亚马逊热带雨林。

不管是海洋生态系统还是陆地生态系统内矿物粉尘的沉积都会刺激生态系统的生产力，进而就会影响碳、氮的生化循环。

结果生态系统内粉尘沉积的全球变化被认为对冰期到间冰期期间以及过去的几个世纪内2CO 的集中是有影响的。

进一步说，2CO 浓度的变化会影响未来气候的变化。

粉尘气溶胶同样也会以很多形式来影响水循环。

首先，粉尘会通过散射和吸收太阳辐射和地面辐射来使能量重新分配，这就导致大气中的热量有一个净增长从而促进降水，但是它同时也是地表温度降低从而抑制蒸发和降水。

第二，粉尘气溶胶能够作为液态水和固态水的凝结核，粉尘和云之间的相互作用是相当复杂的，很难理解清楚，它既有可能促进降水也有可能抑制降水。

最后，粉尘在冰川和积雪上的沉积会减少它们对太阳辐射的反射从而导致气候变暖和早春融雪。

粉尘气溶胶也会对天气和气候产生影响。

影响方式包括：散射和吸收太阳辐射和地面辐射、降低积雪对太阳辐射的反射、通过影响生态系统生产力改变大气中2CO 的浓度、作为云凝结核进而增加云的寿命和反射率。

由于矿物粉尘能够影响地球的辐射平衡，因而大气中粉尘负荷的改变会产生大量的辐射效应。

相反的，全球的粉尘循环对气候的变化也是很敏感的，已经证实了很多次冰期内全球粉尘的沉积率比间冰期内大，在过去的50年里粉尘的沉积率有很大的增加。

全球粉尘循环圈的变化会形成辐射效应，这种辐射效应对过去的气候变化有很大的影响。

由于粉尘气溶胶的静辐射强度以及全球粉尘循环圈对未来气候变化影响的极大不确定性，这种粉尘与气候的反馈作用将会阻止还是促进未来气候的变化依然是不确定的。

除了上面提出的对生态系统、水循环以及天气和气候变化的影响，粉尘气溶胶还会对很多东西产生影响。

例如：粉尘的扩散通过带走富含营养和有机物的土壤颗粒使土壤肥力降低从而导致沙漠化和农业减产。

进一步说，大气矿物粉尘会发生多相化学变化进而影响对流层的组成，粉尘气溶胶的吸入会对人类的健康造成危险，粉尘还会抑制飓风的形成。

2风沙跃移（包括蠕移）跃移在风蚀过程中扮演着很重要的角色，因为它常常能促发其他的运动形式，包括粉尘气溶胶的扩散。

由于在粒子以跃移的形式运动和以蠕移的形式运动之间没有明显的区别，所以这部分包括蠕移。

当风的剪切强度τ足够强能扬起地表粒子时跃移就会被触发，对于比较稀疏的粒子，τ大概在0.052N附近。

跃移被触发之后，扬起的粒子接着被风加速以弹道轨迹/m运动，还会驱逐地面上的粒子，使他们发生飞溅，从而新的粒子就会跃移进入流体中，这个过程会使流体中的粒子数指数增加，这将使粒子对风的阻力增加，从而使跃移层风的速度降低。

风速的降低又会使粒子速度降低，从而新溅起的粒子也进入了跃移过程。

这种相互作用最终会限制进入跃移的粒子总数，从而部分决定了稳态跃移的特征。

这样风成跃移就可以大致分为四个物理过程：（1）地表的粒子被气动升力触发发生跃移；（2）粒子被风加速以弹道轨迹运动；（3）驱逐地表沙粒飞溅进入跃移；（4）跃移粒子通过曳力修正风速廓线。

2.1 风沙跃移的四个主要过程2.1.1 跃移的触发很少的一部分粒子被风扬起触发跃移。

能使这种跃移发生的剪切强度成为流动门槛值或标准门槛值。

这个门槛值不仅取决于流体的物性，还取决于重力和粒子间的内聚力。

地表粒子的合力平衡图解如下图。

流体门槛值和气动门槛值或影响门槛值是有区别的，影响门槛值是指在跃移启动后能让这种跃移运动持续进行的最小剪切强度。

在大多数条件下，影响门槛值都比标准门槛值小，因为，通过冲击粒子向土壤床层传递动量比通过流体曳力更容易。

流动门槛值的表达式能够通过地表静止粒子的合力平衡推导得出。

当粒子能绕与之相邻的粒子相切的接触点旋转时地表的粒子就会被流体夹带运动起来，而当气动曳力和升力的力矩刚刚大于粒子间内聚力和重力的合力矩时粒子就会绕接触点旋转。

在粒子扬起的那一瞬间，就有下面的关系式：ip ip l g g d d F r F F r F r +-≈)( （2.1）这里d r ，g r 和ip r 是各个力的力臂，它们正比于粒子的直径p D 。

流体中粒子的有效重力要包括浮力在内：3)(6p a p g gD F ρρπ-= （2.2）g 是重力加速度常数，p D 是等效直径。

粒子的密度p ρ取决于沙粒的组成，但对地球上的石英砂来说其平均值大约为26503/m Kg 。

进一步说，流体对突出在流体中的地表粒子的曳力公式为：2*2uD K F p a d d ρ= （2.3） a ρ是空气密度，d K 是一个值大概为10的无量纲数，剪切速度*u 是一个换算参数，正比于边界层内的速度梯度，其定义如下： 2*u a ρτ= （2.4）流体的剪切强度等于水平动量通过流体粘性和湍流混合向下传递的数值。

流体剪切速度门槛值ft u *（跃移刚好被触发）的简单表达式如下：p a a p ft ft gD A u ρρρ-=* （2.5）常数ft A 是粒子间相互作用力、升力、流体雷诺数的函数。

由于粒子间的相互作用力很小，把公式2.5用于稀疏沙子的流动门槛值时我们通过忽略这些依赖关系，可以得到10.0≈ft A 。