CN100443874C - 解析大气强对流气象的实验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明为气象学提供了一种解析大气强对流气象的实验装置，本发明所说的强对流气象是热带气旋、龙卷风等，大多数气象学家根据热力学理论、经验、估算或推测认为，上述强对流气象是温差引起的，本发明通过浸没玻璃管底部的水及与玻璃管相通的气体分析仪证实：火花放电使空气发生缩容化合反应，希望气象学关注这一现象，因为闪电也是火花放电，所以闪电也使空气容积收缩，在大气中生成势差，闪电生成的势差中蕴藏着巨大的势能，它不易扩散流失，促进局地大气对流比温差更有效，闪电引发了上述强对流气象，本发明的实施例适合在科研、科普、教学活动中向公众演示。

Description

解析大气强对流气象的实验装置
技术领域
本发明涉及气象学。
背景技术
本发明所说的大气强对流气象是热带气旋、龙卷风等，关于上述强对流气象的形成机理，目前尚未取得共识，大多数气象学家根据热力学理论、经验、估算或推测认为，强对流气象是温差引起的。气象学现有解析强对流气象方法的不足之处在于：由于不能直观的演示强对流气象的成因，因此难以发现其机理。
发明内容
本发明的目的在于克服气象学现有解析强对流气象方法的不足，提供一种实验装置，它可以直观的演示造成大气强对流的原因，因此可以发现强对流气象的形成机理。本发明是这样实现的：在一根玻璃管的顶端插入两根导体并用密封元件加以密封，导体与静电发生器连接，其中一端为尖端导体。玻璃管与气体分析仪相通，底部浸没在水中，启动静电发生器，使两根导体之间持续发生火花放电，用眼直接观察实验结果可以发现：玻璃管内的液面上升，火花放电逐渐暗淡。光谱观测发现火花放电的光谱中有氮、氧分子谱线。与玻璃管相通的气体分析仪显示：玻璃管内的标准大气成份发生变化，氧气、氮气大量减少、生成NOx、O3，空气容积收缩。用物理知识解析本发明的上述实施例，既可破解形成机理。
由于本发明建立在新的理论基础之上，为了便于理解，使本发明得以实施，因此有必要在介绍本发明的具体实施方式前，首先详细介绍本发明所依据的理论。
1784年，英国物理学家、化学家卡文迪什(Henry Cavendish1731～1810)在一根玻璃管的顶端插入两根导体并加密封，导体与手摇磨擦起电机连接，玻璃管的底部浸没在氢氧化钠溶液中，摇动磨擦起电机后，两根导体间发生火花放电，玻璃管内的液面持续上升，最后仅剩一个小气泡，充满了氢氧化钠溶液，小气泡的容积为原空气容积的八十分之一。这个实验持续了二十天，卡文迪什不断的向玻璃管内注入氧气，氧气在火花放电中不断的消失，小气泡始终存在。100年后科学家发现小气泡是由氦、氖、氩、氪、氙、氡6种惰性稀有气体组成的，其余气体在火花放电中发生化合反应后，被氢氧化钠溶液吸收。
200年前的这个实验证实，空气中除6种惰性稀有气体外，其余气体均在火花放电中发生化合反应。但是由于大气中没有氢氧化钠溶液，所以这个用火花放电使空气消失的实验及其实验报告《关于空气的实验》，并没有引起气象学的关注。本发明将该实验中的氢氧化钠溶液改为水，通过透明的玻璃管，揭示了空气发生的真实变化：火花放电使空气缩容。希望气象学关注这一现象，因为闪电也是火花放电，同样发生在空气中，所以闪电也会使空气缩容。装载于Microlab-1卫星上的全球闪电探测系统，探测到全球每秒钟平均发生44±5个闪电，平均每个闪电产生多少NOx、O3、空气容积收缩多少？未见这方面权威的统计资料。由于闪电形成的NOx，随雨水沉降到地面硝化或胺化后成为氮肥，促进农作物生长，所以引起科学界的普遍关注，科学家们估计全球闪电形成的NOx，每年通过降雨进入陆地或海洋的数量为5Tg，(根据J Galloway，1999年5月提交国际科联环境问题科学委员会氮项目组的论文数据)1Tg等于1百万吨原子量的纯氮，氮气密度1.25kg/m3、氧气密度1.43kg/m3，对这些科学界公认的数据进行简单的计算可以发现：每年有数十亿立方米的气体在闪电过程中变成了氮肥，从大气进入大地。另外还有大量O2在闪电中转变为O3，O2转变为O3容积收缩三分之一，气体的流失或缩容使大气出现势差，闪电生成的势差中蕴藏着巨大的势能，它不易扩散流失，促进局地大气强对流比温差更有效，是推动大气对流运动的原动力之一。宇宙中一切物质趋向于势能最低的稳定状态，大气也是如此，在达到稳定状态的过程中释放出多余的能量。
强大的季风在大洋上空形成热带云团，范围可达数千平方公里。热带云团内无数的闪电使大量氧气、氮气发生缩容化合反应，变为氮氧化物NOx及O3，NOx包括NO、NO2、NO- 3、NO- 4等多种氮化物，本发明的实施例可以证实这一描述。NOx随降雨进入大洋，本发明的实施例揭示，近10％的气体从空气中流失或缩容。气压也将随之下降近10％，一般在900百帕以上。出现地区性低气压，周边空气在势能驱动下，从四面八方涌向低气压地区，地球自转使这股流向低气压地区的气流旋转，因为旋转气流是螺旋型的，所以使云团也呈螺旋型，北半球逆时针旋转，南半球顺时针旋转，赤道南北纬5度以内的地区，由于地球自转水平偏向力弱，所以气流不旋转，我们将这种强对流气象称为台风、飓风或热带气旋。
超级单体雷暴中发生的云闪或地闪特别粗大，闪电熄灭的瞬间、空气缩容化合反应、热膨胀的冲击波过后，闪电放电通道是真空的。在一个安装有单向排气阀的密封容器内，利用金属细丝(网)进行电爆炸，可以证实这一描述。电爆炸是物理学、电工学熟知的一种物理爆炸现象，将金属细丝(网)与高压电源短路连接，超过金属细丝(网)承载能力数十倍的高压大电流，在10-6～10-7秒时间内，以极高的能量密度释放到空间，可以在放电区域内产生摄氏数万度的高温，使空气受热膨胀产生冲击波，放电区域的气体分子密度极低。闪电放电通道冷却后，周围气体在回填这一细长的低压空洞时，发生螺旋型旋转，这一现象在流体中普遍存在，其机理及计算方法，流体力学中有详尽的介绍。螺旋型旋转气流将依附于水分子及气溶胶之上的高电势电荷，富集到旋转气流的顶端，使这一部位的电荷浓度增大、电场升高、闪电增多，漏斗型旋转气流顶端的闪电高发区不断生成势能，为旋转气流提供动力，螺旋型旋转气流则源源不断的为闪电输送高电势电荷。卫星观测到龙卷风顶端的闪电每分钟可达90次，这一部位的闪电消退，龙卷风立即消失。龙卷母云内中尺度旋转气流平均21分钟发育成地面龙卷。由于龙卷风发源于闪电放电通道，所以它也是又细又长的，开杈的枝状闪电有时可以演变成开杈的双头龙卷。闪电放电通道冷却时引发的旋转气流，绝大多数都在形成初期，被强烈的大气扰动搅散夭折了，一次雷暴活动可以发生数百次闪电，每次闪电放电通道冷却后都有引发旋转气流的趋向，但每年中国发生的龙卷风不足100次，美国是世界上龙卷风最多的国家，每年也只有500次左右。多单体雷暴中大气扰动更加复杂，其中闪电冷却引发的旋转气流更难发育成龙卷风。
本发明的实施例提示我们：探讨强对流气象时不应忽略闪电造成的大气势差。
古生学家发现多处恐龙化石聚集地，这是一个费解的现象。大量恐龙化石因何拥挤在一片狭小的区域内？现依据本发明实施例的启示试解这一现象：一颗小行星碰撞了地球。目前已发现可辨认的大小陨击坑150个，最大陨击坑直径240km，证实地球曾多次遭受小行星撞击。撞击产生的火花放电使大气层发生了广泛的缩容化合反应，氧气、氮气大量消失，出现过量的NOx和O3。本发明的实施例可以确切证实这一描述。大气缩容化合反应是从撞击点开始的，那里的大气在火花四溅中首先发生缩容化合反应，撞击点的上空出现一个巨大的低气压空洞，低压形成的势差引发了强对流气象，其猛烈程度人类还未经历过所以很难描述。受风面积像帆一样的恐龙，被风驱赶到顺风的山谷绝地或气旋中心，恐龙由于身躯庞大，在超强对流的推动下聚在一起，并非有合葬的习性。活体动物风洞实验或风能计算可以证实这一描述。随后而至的缺氧使恐龙集群性绝灭了，恐龙的遗骨虽然暴露在荒野的空气中，但在O3的保护下，仍然较顺利的形成化石。覆盖它们的是黄土或其它缓慢沉积物而非火山灰，证实了这一描述。各类臭氧灭菌装置也可以证实这一描述。聚集地的恐龙化石大多肢体完整，不像是水流、地壳粗暴堆积成的，其它一些可能也可排除，恐龙显然是自行聚集。O3分子的不稳定性、还原性及大量活化的氮元素，为日后生物复苏、更蓬勃的发展创造了条件，氮是蛋白体、核酸的构成元素，核酸是DNA、RNA构成的，因此氮是地球生命及进化的基础，大气及岩石圈中虽然有386×1013及16360×1013吨氮，但它们都是惰性的，不能为生物所用，只有经地球或地外能量活化成NOx，并进一步硝化或胺化后，才能进入生物循环链。
依据本发明实施例的启示：全球或局部地区，凡遗留大量化石的各级生物绝灭事件，很可能都经历了一个缺氧、致命的O3、NOx过量的暂短时期。
附图说明
附图为本发明工作原理示意图。
其中1为玻璃管，2为两根导体，3为密封元件，4为静电发生器，5为气体分析仪，6为开关，7为水。
具体实施方式
以下结合说明书附图，对本发明的具体实施方式进行详细的说明。在玻璃管(1)的顶端插入两根导体(2)并用密封元件(3)加以密封，两根导体(2)与静电发生器(4)连接，其中一根为尖端导体。玻璃管(1)与气体分析仪(5)相通，玻璃管(1)应设刻度，以便精确观测液面，关闭开关(6)，启动静电发生器(4)向两根导体(2)供电，静电在空气中的击穿场强为3550v/m，根数及所需火花放电强度，确定电压及导体间距，使两根导体(2)之间发生火花放电。使用光谱仪检测火花放电光谱，闪电光谱中最重要的谱线为N I、N II、O I、O II、Hα、Hβ，为确保玻璃管(1)内的气体与真实大气一样发生缩容化合反应，火花放电光谱中应有氮分子谱线，因为氮分子中的两个氮原子以少见的三重键形式结合，解离能高达946kjmol-1，因此火花放电释放的能量，必须保证氮分子充分解离活化，才能形成适量的NOx，使玻璃管(1)内的空气容积显著收缩。如果用眼直接观察，氧分子解离时发出特有淡蓝色辉光，氮分子则发出波长更短刺眼的弧光，火花放电持续一段时间、液面上升后，关闭静电发生器(4)，待玻璃管(1)恢复室温后，观测玻璃管(1)内的液面，打开开关(6)，使用气体分析仪(5)分析玻璃管(1)内气体成份。避免导体与空气在火花放电中发生反应，干扰实验结果，因为真实大气中没有金属氧化或氮化反应。用物理知识解析本发明的实施例，既可破解大气强对流气象的形成机理。
本发明的实施例适合在科研、科普、教学活动中向公众演示。

Claims (1)

1.一种用于解析大气强对流气象的物理实验装置，它包括玻璃管(1)、两根导体(2)、密封元件(3)、静电发生器(4)、气体分析仪(5)，其特征在于：在玻璃管(1)的顶端插入两根导体(2)，并用密封元件(3)加以密封，两根导体(2)与静电发生器(4)连接，玻璃管(1)的底部浸没在水(7)中，玻璃管(1)与气体分析仪(5)相通。
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