浮力

\r 人们在发电厂或某个特定工厂的冷却塔上会十分清晰地看到这个效果。冷却 塔,顾名思义,是用来冷却热水。空气通过下面的烟道进人烟囱,然后通过风扇从 上面排出。在塔顶附近,将热水喷向上升的冷空气,随着它的下降,水落在地上,流 过一些横在其中的挡板。这使水下降速度减慢,增加了露在空气中水面的范围。 液态水聚集在塔底的盆里。一方面因为水裸露在空气中,另一方面还因为有部分水蒸发,带走了邻近水和空气的蒸发潜热,所以水被冷却。\r 一些蒸发的水汽会再次冷凝,但残留物随上升的水蒸气从塔顶排出。一旦排 出塔进人空气中,水迅速冷却,冷凝在云团上。无风时,塔上的云能够延伸至相当 的高度。水汽上升也是因为含有带正浮力的空气和水。云顶指云的密度与周围空 气相等时的高度。尽管云与白烟十分相似,但冷却塔上的云里除了含有水滴以外, 没有任何令人担心的物质。\r 除了少有的近地面几百米内一丝风都没有的那几天,烟囱以上都有一个高度, 在此高度以内气体为中性浮力并沿顺风方向运动。这个高度是烟气流进入大气的 有效高度:有效烟囱高度。它的计算是把烟囱高度和烟流高度加在一起。烟流高 度是指气体在变到水平运动前的追加高度。图24显示了有效的烟囱高度。\r 烟柱的消散\r 烟柱的消散完全取决于大气状况。烟柱顺风运动时可以形成打转路径、锥流、在晴朗的夏日,地面被阳光照射后,一些地方比其他地方热得更快。这种差导 加热导致局部地区对流形成,有些地方空气上升,有些地方空气下降。受此影响, 烟柱时而上升时而下降,有时甚至能触到地面。这种运动路径被称为打转路径。 随着距离烟囱越来越远,烟柱打转的幅度也在增加。因此晴朗的夏日里,烟柱常在 距离烟囱一定距离的地方形成小块地面污染地区,但这只在白天发生(因为夜间时地表不受差导加热的影响)。\r 当空气几乎没有垂直运动并且风力足够大时,烟柱向烟囱下风向运动并且逐 渐变宽,其中心线是水平的。此时烟柱形成一个锥形,这就是锥流。锥流在白天或 夜晚都可形成。锥流只在离烟囱很远的地方才会引起近地面污染。\r 烟柱的铺开是在空气非常稳定时形成的,通常会在逆温层以下(参见补充信息 栏:逆温),并且夜晚比白天发生的可能性大,因为夜晚空气更加稳定。由于几乎 没有垂直的空气运动,所以烟柱做水平方向顺风运动时,一直保持在有效烟囱高 度。尽管没有垂直方向的空气运动,但受空气不稳定的水平运动影响,烟柱会向两 边运动。这样从上面或下面直接看上去的话,烟柱很像扇子的形状。铺开的烟柱 往往要飘出60英里(100公里)左右的距离才会在空气中消散。\r 逆温层经常在夜晚形成。太阳下山后不久,地面吸收的太阳辐射量少于地面 释放出的热M,地面冷却,近地面空气变冷,在暖空气下面形成一个冷空气层,这就 是逆温层。逆温层始于地面并向上伸展。顶部的暖空气稳步上升,下面的冷空气 逐渐变厚,被排放到逆温层以上的烟柱不会下沉进人逆温层的冷空气里而只会进 人相对温暖、稳定的空气中。垂直气流带动烟柱向上运动,在离地面很远的地方消 散。这种烟柱叫做升高烟柱。升高是烟柱理想的消散状态,因为它不会造成地面 污染。\r 随着夜色的深人,逆温层不断加厚,直到超过了有效烟囱高度。此时烟囱排放 的烟柱进人逆温层,升高烟柱转为铺开烟柱。\r 破晓时分,情况发生变化,地面温度开始上升,对流使地表空气向上运动,在近 地面形成一个空气完全混合的空气层。随着清晨的临近,混合层渐渐加厚,直至到 达铺开烟柱的高度,但烟柱之上的逆温层仍阻止它继续上升,所以空气的垂直运动 把气体和颗粒带回地表,这样就形成烟熏,烟熏能导致严重的污染。幸运的是,烟 熏的时间很短,因为用不了 1小时逆温层就会渐散,烟柱继续上升。然而,如果铺 开烟柱是沿山谷或在山谷逆温层下运动,那么烟熏带来的污染仍能给那些距离烟 囱很远的人和野生生物带来影响。\r 烟熏也能由高大建筑物周围的空气漩涡引起。建筑物挡住了风的走向,因此 ^风向总在变化。人走在两栋建筑物中间有时根本不可能判断出风向,但观察风中 ■飘动的纸屑时你会发现它不仅一直在旋转而且还在反复上下运动。这是因为风在\r ‘::障碍物的上面和周围吹过时有漩涡形成,所以空气既有水平方向也有垂直方向的运动。如果烟囱排放出的烟柱进人了空气漩涡,那么烟柱将随漩涡运动,污染可直 至地面(见图26)。位于陡峭山坡上的烟囱有时会产生类似的效果。当风刮过山 顶时,空气漩涡沿背风坡向山下流动,这样烟柱也随着下降至地平面。\r 烟流是烟柱消散的最后一种形式。当薄薄的逆温层延伸至有效高度之上且风 力很小的时候,烟柱就形成烟流。此时烟柱略微变宽,同时有轻微下沉,但是气体 和微粒几乎没有扩散。\r

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