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尺度变换诱发的想象力聚焦水分子蒸发的精细过程

已有 4234 次阅读 2015-1-19 23:01 |系统分类:科研笔记| 蒸发, 降雨, 水蒸气

水的蒸发速度并没有快到人眼可察的程度。对于慢速过程人们习惯于用大尺度,或者说用大量纲的参数表达。气象学家就用简单的蒸发皿的日蒸发毫米数,表述水的平均蒸发速率。

一般来说,在某一地区,气象部门测定的蒸发皿的年累计蒸发量,基本等于累计年降雨量。此乃能量升降守恒的原则。

在胡焕线内,年降雨量1000mm属于比较普通的地区。以尺度变换的简单方法,就能聚焦一窥水分子蒸发的精细过程。

年降雨折算成天,则平均每天蒸发量为1000/365= 2.74mm。

再微观一些,则每秒平均蒸发2.74/24/60/60=3.2*10^(-5)mm = 32nm(纳米)。

液态水分子直径约0.4nm。所以水面上每秒蒸发掀掉32/0.4=80层水分子。

也就是说,一眨眼80层水分子,就立马烟消云散变成水蒸气!

这个数只是平均值,对于日光直接照射的水面,翻一倍到每秒160层水分子蒸发掉也不为奇。

恕我只停留在秒级尺度。要想看到慢镜头--单个水分子如何念念不舍被拽离水面水分子簇团,有兴趣的朋友,不妨再一步一步缩小时间尺度,直到看到那个慢镜头的效果。

蒸发皿中的水看起来慢腾腾的蒸发出来,可从微观看,相当于每秒钟从其水面上不停地揭走上百层单层半纳米厚的面膜!

看来尺度变换不再是枯燥的数学算计,也许还是一种想象力视觉艺术的表达。

当然,要是有能映像无色无味水蒸气成伪彩色的专用显微镜,直接拿来瞄一瞄就行,无需用玩数学游戏来撸。

不做这个尺度变换,当你两眼发呆望着水面时,你是否能想象得到水气相面上,随时都在发生的波澜壮阔的蒸发过程?眨眼的瞬间,至少80层水分子“面膜”被大量各类光子围剿而撕碎,“拿到解放证书”的自由水分子霎那间就融入大气中!

关于空中水气上窜速度的问题

这每秒80层水分子“面膜”变成蒸气后,对空间的占有欲望大的不得了。查水蒸气饱和热工数据,在20摄氏度时,水蒸气比同重的液态水所占体积大58000倍;在100摄氏度时大1650倍。

假定蒸气出来后不左顾右盼,径直往上冲,即水面积不变,则每秒钟被蒸发的80层水分子皮,即32nm(纳米)厚的水,摇身一变狮子大开口,水面蒸气柱高=32*58,000=1,856,000nm = 1.9mm,取整数大约2mm。或者说,在不考虑风的影响下,地面蒸气的上窜速度= 2mm/s。

将上述尺度放大就是0.002*3600=7.2m/h。还是够慢的啊,每小时天然水蒸气竟然只上移7米多!每天也就7*24=168米。以这个速度上窜到最低的积雨云2000米高度,要走12天啊!

好在大气层有递减的垂直温度梯度,每1000米温度要降6度,2000米则降低12度。温度越低,气体越占体积,因而蒸气往天上越跑越快,例如:气温降到1度时,水气上窜速度提高3.5倍。

按修正后的上窜速度计算,地面水气上升到最低的积雨云层,可能需要大约9天时间。气象学家说天上的水,每隔9天全部换一茬。难道我的估算与此有某种巧合?!

结语

感谢这个看似无聊的尺度缩微,让我们意识到了世上没有平静的水面。到底是谁在背后下这么重的手撕逼?每秒钟竟然从温柔的水面活剥百多层水分子皮!

原来是能量干的好事。就怪水太贪吃贪玩,从远红外到远紫外的光子她都敢吃。大自然把地球上水分子,从液态提溜出来成为游离分子,耗费了蔚为壮观的能量。因而水气俨然成了可随风漂移的能量载体,同时空中的大量水气也成为游弋的水源。

至于埋藏在水气可再生大矿场中的能量如何回收,以及如何让游弋的水源落到实处,那就是另一个大的话题啦。

不象石油煤矿那样挖掉一点就减少一点,天然水气潜能矿,是地球上唯一可再生的、随处可得的能源矿藏。人类会用的话,尽管从中采能,减轻上苍降水的繁重工作量自然不会怪罪人类;没那个本事也没关系,反正老天爷自然会打理好水循环:通过降雨向外太空扔掉人类没本事回收的大量潜热,达到为地球散热的目的。

悲催地面对新疆150mm的年降雨量,气象水文学家该是多么渴望大气潜热回收机的诞生啊。有了这种自由能源开采机,治大国如烹小鲜,国家只要调控各地的装机容量,政策上向新疆倾斜,就有可能把湿润的江南大气,通过浓差驱动力勾引到缺水的新疆。善莫大焉!




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