工程力学
昨天
代号“哥斯拉”，沙尘暴来自撒哈拉沙漠，穿越加勒比海，跑了约8046公里，到达美国。6月26日，哥斯拉开始在德克萨斯州登陆，随后逐渐席卷美国中西部。几十米高的沙墙与天空相连，向前翻滚，吞没了房屋和田野。
沙尘暴这种灾害性的天气现象是如何产生的？请看下面王振东教授从力学角度的专业分析！
沙尘暴是全球性的气候灾害现象，我国频繁发生的沙尘暴给经济建设和人民生命财产安全造成了严重的损失和危害。本文从力学角度探讨了沙尘暴的主要成因，并对减缓沙尘暴提出了一些看法。
沙尘暴；流体力学；减灾；尘源；环境保护
序
沙云里的天空是封闭的，河的颜色是灰暗的，海的颜色是浓缩的
崆峒异国谁能支撑，萧索边心常不快。
这是唐代诗人胡浩的《大漠之旅》中的一段话，生动地描述了中国西北沙漠尘土飞扬的天气。意思是“要大”“天关在沙云里”，具体描绘的是西北的沙尘暴:风怒，黄沙飞，天遮，天失，天苍苍。
中国古籍中有许多关于“雨黄土”、“雨黄沙”、“雨土”、“雨霾”的记载。最早的记录可以追溯到公元前1150年:
天空/
这里记录的就是我们现在所说的沙尘暴。
唐诗中也有很多关于沙尘暴的描写，比如岑参的《西游送师》
你看不到走马川，白雪皑皑的海边，还有从沙漠上飞来的黄沙。
这个第九个月的夜晚，车轮塔和山谷里寒风凛冽，到处都是破碎的巨石，像啄木一样，顺着风向向下，一泻千里。
这是为好友冯长卿带兵西征时，任安安西北朝廷判官时写的送别诗的前两句。第一句没有“风”字，却抓住了风的“颜色”，生动地写出了白天的狂风。进入黑夜，看不到风的“颜色”，反而写风。狂风如狂兽般怒吼怒吼，甚至把大石头吹得满地都是。“平沙茫茫”这句话写在天上，“石头乱走”这句话写在地上。三言两语，诗人勾勒出沙尘暴天气行军的艰难险阻。
李白的北行
尘遇幽州，火连北。
杀人毒戟，狂风裂衣。
崔融《西征遇风》
北风卷着沙尘，我们互不相识。
千里呢喃，昏厥同色。
崔坤的塞外之旅
大风席卷大海，万里扬被砾石覆盖。
抬头看天空，我觉得头晕。
李益“杜婆莎娜二子”之一
看风沙婆娑，岁月不救草。
莫言，塞北没有春天，但总有春天。
匿名婆罗门
乐峰前的沙地洁白如雪，城外的月光如秋霜。
不知从哪里吹来了凄凉的芦管，一夜的望着家。
沙尘暴是沙尘暴的总称，是指地面大量沙尘物质被大风吹起卷入空使空极端多云，水平能见度小于1公里的恶劣风沙天气现象。其中，沙尘暴是指大风将大量沙粒吹入近表层而形成的携沙风暴；沙尘暴是由大风卷入高空的大量灰尘等细颗粒物形成的风暴。
沙尘暴是我国西北和华北北部地区频繁发生的灾害性天气，可造成房屋倒塌、交通供电受阻或中断、火灾、人员伤亡、自然环境污染、农作物生长破坏，对经济建设和人民生命财产安全造成严重损失和极大危害。
历史上，新疆楼兰被沙尘暴歼灭，就是沙尘暴造成巨大危害的一个例子:
西汉时期，新疆有一个楼兰国，是历史上丝绸之路的重要枢纽。司马迁曾在《史记》中记载:“楼兰，固始邑有城，近燕泽。”唐代也有李白等诗人在诗中写楼兰。
比如李白的《缉获》
五月的山上依然白雪皑皑，只有寒冷，草看不见草。
只有在笛声中的“折柳”才能想象春天，但现实中却从未见过春天。
士兵们白天在金鼓里与敌人作战，晚上睡在马鞍上。
我希望腰间挂着的宝剑，能迅速平定边境，为国效力。
王昌龄的“从军”
青海云长，雪山暗，孤城遥望玉门关。
黄沙不破楼兰不还。
从诗中可以看出楼兰是唐代重要的边城。然而，这样一座在公元前后活跃了几个世纪的城市，在公元四世纪后完全消失在历史记载中，坠入沙漠。直到1900年，瑞典探险家斯文·赫丁才在罗布泊西岸发现这座半被风沙掩埋的古城。1979年和1980年，新疆科学家对其进行了几次详细的考察，最终解开了楼兰在肆虐的沙漠风暴中被风沙掩埋的谜团。
本文将从力学角度探讨沙尘暴的主要成因，并对减缓沙尘暴提出一些看法。
一个
沙尘暴是一种全球性的气候灾害现象
沙尘暴是一种全球性气候灾害现象。主要发生在多风干旱地区。比如中亚和北美、澳大利亚和北非的干旱地区。荒漠化是一个全球性问题，影响到地球表面的三分之一和一百多个国家十亿多居民的生活。世界荒漠化土地主要分布在干旱、半干旱和部分半湿润地区，非洲和亚洲分别占全球荒漠化土地的36.9%和35.4%。
从下面的图片中我们可以看到世界各地的沙尘暴。
2011年7月5日晚，一场沙尘暴袭击了美国西南部亚利桑那州的首府凤凰城。大风卷起的沙尘暴像一堵巨大的沙墙一样席卷凤凰城的上空地区，从南到北席卷了凤凰城的整个闹市区。根据美国气象局发布的数据，此次沙尘暴的风速达到每小时80-96公里，沙尘暴形成的“沙墙”最宽范围达到80公里左右，造成凤凰城约8000户居民断电。大风带来的沙尘从南部的凤凰城吹向亚利桑那州的西北部，影响了很多城市。在风暴最猛烈的时候，当地的能见度下降到400米，甚至什么也看不见。暴风雨是一片混乱。
2
沙尘暴的主要原因
从力学角度看，沙尘暴的成因主要有三种:大风、尘源和不稳定空空气。
2.1大风是沙尘暴形成的动力条件
强风意味着强劲而持久的风。据观测，有大风时，如果风速达到每秒30米，粗砂会飞到离地面几十厘米的地方，细砂会飞到2米高的地方，粉砂会飞到1.5公里的高度，细尘会飞到更高的高度。
大风既是沙尘暴形成的动力条件，也是沙尘暴在大气中长距离输送的动力保障。
2.2尘源是沙尘暴形成的物质基础。
沙漠中各种类型的沙丘按其稳定性可分为流动沙丘、半固定沙丘和固定沙丘。大风发生时，移动沙丘扬起的沙尘数量最多，半固定沙丘扬起的沙尘数量较少，固定沙丘扬起的沙尘数量最少。
除了沙漠和沙地，在中纬度干旱半干旱地区，地面多为稀疏草原和旱地耕地，植被稀少，加上人为破坏，导致生态退化严重。春季地面回暖解冻时，地表裸露，风吹来，尘土弥漫，局部和有风经过的地区容易形成沙尘天气。
2.3不稳定空气体是提升沙尘形成沙尘暴的启动条件。
不稳定空气体有利于强对流的发展，从而夹带更多的粉尘，风力更高。生活中一个常见的例子可以用来说明气流不稳定的影响:在煤气和暖气不普及的时代，生活在北方的人们不得不建造煤炉取暖和做饭。捅炉子的时候，火烧得很旺，轻轻一捅，经常让灰烬飞得满屋都是；而且火灭的时候，即使用大刺一般也不容易扬起灰尘。这是因为火熄灭后，空炉上下煤气的温度相差不大，所以，空煤气是稳定的。火在剧烈燃烧时，灶上的空气不稳定，灶旁的空气热，而远离灶的空气较凉，热空气比空气冷，因此被刺灶的灰很容易随着热空上升，飞得满屋都是。
本质上，粉尘吊装的原理是一样的。如果低层空气体温度低且稳定，风吹来的粉尘不容易被吊得很高。如果下层空温度高，则不稳定，容易向上移动，风吹来的灰尘会卷起很高，形成沙尘暴。
实际上，沙尘暴通常在下午或下午到晚上最强，因为这是一天中最不稳定的时间。
这三个主要原因中，大风和不稳定空空气是自然气候现象，人类还没有搞清楚这些自然气候变化的原因，更不用说对大风和不稳定空空气施加影响和控制了。只有作为沙尘暴物质基础的尘源，才能通过改善生态环境来努力减少尘源。当一个地区的尘源消失后，这个地区的大风和不稳定的空空气将无法吹起沙尘暴。
三
中国的沙尘暴
造成中国沙尘暴的一些尘源在中国境外，而另一些在中国境内。中国境外的沙尘源主要在蒙古南部严重沙漠化地区和俄罗斯、哈萨克斯坦的部分沙漠化地区。
中国本身也是荒漠化面积大、分布广、荒漠化危害严重的国家之一。我国沙化土地总面积约占全国土地面积的1/4。中国西北、华北、东北有12个沙漠和沙地，伸向北方的风沙线。豫东、豫北平原，唐山、北京、鄱阳湖周边，北回归线沿线也有大面积的沙漠化。这些荒漠化的土地为沙尘暴的形成提供了物质基础。
造成中国沙尘暴的大风主要来自北方、西部和西北部。北方大风经蒙古南下，影响华北和西北地区东部；西部大风从中亚进入新疆南部、青海北部和河西走廊；西北大风自西伯利亚向东南侵入河西走廊。
沙尘暴发生在2006年4月16日下午的北京，被誉为“城中金花”。两天之内，北京落下了33万吨灰尘。专家已经测试了这次降尘的灰尘样本。从粒径分析发现，粒径小于0.074 mm的尘埃物质占96%以上，所以严格来说，这其实是一场沙尘暴；化学成分分析还表明，这些粉尘大部分来自干旱的农田、废弃地和退化的草地。
人们普遍认为，一些地区荒漠化的主要原因是人类对土地资源的过度利用，超过了土地的承载能力。
中国的荒漠化地区就是这种情况。由于生产强度和灌溉供水的增加，保护性耕作制度尚未形成；草原面积持续减少，长期过度放牧；湿地和水系几乎100%萎缩；沙漠相对稳定，部分边缘地区因开发不当正在积极扩散；随着社区和工业设施建设规模的扩大，水资源压力越来越大。
四
尊重自然和减少沙尘暴
沙尘暴的三大成因中，大风和不稳定空气体是气象因素，难以控制。但作为形成沙尘暴物质基础的沙尘源，通过努力是有可能减少的。
关于中国沙尘暴的减灾，作者认为应该考虑以下几点:
1.沙尘暴敲响了环保的警钟。沙尘暴的频繁趋势与植被的破坏和沙漠化土地的不断扩大有关。我们应该冷静下来，思考沙尘暴灾害给我们的警告。中国有些人往往很矛盾。一方面，他们敬畏看不见摸不着的鬼神，不敢怠慢和失礼；然而，彼此息息相关的大自然却对此视而不见，经常做出一些破坏大自然生态的愚蠢恶劣行为。甚至提出了“与天斗其乐无穷，与地斗其乐无穷……”的口号。现在虽然没听过这样的“豪言壮语”，但还是普遍觉得有“力量”改造自然。我不感恩大自然的恩赐，却总以为自己是世界的“主人”。因此，我经常受到大自然的惩罚和报复。沙尘暴灾害是大自然的惩罚之一。
人类文明虽然走了很长一段路，但还远远不够强大，无法把握和征服自然界的一切。人类必须保持对自然的敬畏，学会与自然和谐相处，从自身做起，从现在做起，不能再有破坏生态环境的不良行为。真正认识到保护自然就是保护我们自己，保护环境和资源就是保证子孙后代的幸福和安全。
2.为了减轻和控制我国的沙尘暴灾害，应保护我国现有沙区的植被，禁止乱砍滥伐、乱采滥种、乱垦滥牧；大力植树种草，筑牢生态屏障，遏制沙漠推进；形成的沙漠绿洲在巩固的基础上不断扩大。
在沙漠治理方面，我们应该学习一些不成功的例子。例如，中国的“三北防护林”曾被称为中国的“绿色长城”。在过去的20年里，已经花费了数十亿的资金，但首都北京每年仍要“迎接”沙尘暴。造林之初，种下的杨树长成半死不活的“小老头”，让北京的杨树在春天成群结队地飞来飞去。而且，由于纯林广泛种植，当害虫发生时，大量的杨树被涌出，仅害虫甲虫就摧毁了宁夏20年来建成的数十亿棵杨树。
一些荒漠化防治专家指出，为了出口一次性筷子，中国每年不得不摧毁数千公顷的森林，以换取蝇头小利。有的地方还盲目在沙漠地区修建高山溜冰场、沙漠公园；在草原上修建高尔夫球场、赛马场等。这些对生态环境的破坏和荒漠化的加剧必须停止。
3.要因地制宜加大对沙漠沙地生态治理研究、试验和推广的支持力度。
据介绍，中国科学院植物研究所对我国四大沙地之一、面积5.3万平方公里的内蒙古浑善达克沙地进行了10年的生态治理。基本解决了该地区的荒漠化治理和生物多样性保护问题，取得了明显的生态、社会和经济效益，基本解决了困扰该地区多年的沙尘问题。这段经历在国内外都受到重视。
这说明，只要多下功夫支持这一领域的研究、试验和推广，人们就有理由希望，充分利用现代科技成果，因地制宜地从环境保护出发对荒漠化地区进行生态治理，将环境保护融入经济发展，将逐步减少影响我国北方的沙尘源，缓解我国沙尘暴灾害。
这篇文章已经发表在《力学与实践》杂志上。
并已被收录在《流体力学的有趣词汇》第五章中。
附件:
一场巨大的沙尘暴袭击了8000公里，直奔美国
西北沙尘暴
沙尘暴感觉像火星
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