尘埃里有多少秘密

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深蓝色的畅想

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樓主

發表於 2022-4-14 15:22:50

从爆炸元凶到超级炸弹

　　在20世纪初，西方国家的工业化如火如荼，蓬勃发展的过程中也产生了各种让人类一时无法弄清原由的工业事故。其中最让人们疑惑不解的事情是，很多面粉加工厂、锯木场等





  常常发生爆炸事件，损失惨重。即使警方介入调查，却最终一筹莫展，找不到任何元凶。在排除了人为破坏因素后，警方怀疑是某种自然过程在起作用，他们开始请化学家和物理学家介入调查。最后发现，这些加工厂爆炸时都有一个共同的特点，就是空气流通性极差，室内干燥高温，空气中飞扬着浓度很高的面粉粒、木屑等微细粉尘。

　　这是不是就是爆炸的原因呢？科学家经多次试验发现，空气中干燥的粉尘达到一定浓度，并与氧气充分混合后，就会大大改变这些粉尘物质原有的物理化学性质，原本不燃性的物质变成可燃性的物质，原本难燃性的物质变成了易燃性的物质。这时候，温度一旦合适，就会发生剧烈燃烧。而在很小空间内急剧的燃烧，最终导致了能量的瞬间释放，从而引起了大爆炸。

　　自从有了这个发现，以后的各种工厂和货物存储场所都开始特别注意通风，现在，由粉尘导致的大爆炸事故比上世纪之初已经少了很多了。对粉尘的研究，不但使人们有效地规避了巨大的灾难，而且发展出了全新的军事技术理论——云爆弹技术。

　　云爆弹，通俗地说就是燃料空气炸弹。这种武器的成功研制得益于科学家们对粉尘概念的进一步延伸。在一般人心目中，尘埃多半是像沙粒般的固体粒子。其实液态的油滴、水滴，或外表为液体包裹着的固体粒子都具有一般尘埃具有的物理性质。只要它们的大小能够被上升的气流所支撑，便可以长久地悬浮在空气中。所有这些悬浮于空气中的粒子称为气溶胶粒子或大气悬浮粒子，或简称“浮粒”。

　　科学家们就是利用细小的液滴尘埃效应来制造全新的炸弹武器的。在燃料空气炸弹的弹室里面，填装的不是普通炸弹所用的TNT炸药，也不是我们常见的黑火药固体粉末，而是一些易燃易挥发的高能液体化学物质。当这些液体燃料弹丸发射或投掷到目标上空后，首先使容器炸开，液体燃料迅速释放出来，与周围空气混合形成一定浓度的气溶胶云雾。再经第二次引爆，这些气溶胶云雾立即发生剧烈氧化爆炸，产生2500℃左右的高温火球，这时的情形就像面粉厂发生的爆炸事故一样。燃料空气炸弹爆炸产生的高温持续时间比常规炸药高5～8倍。它还会迅速将周围的氧气耗尽，造成局部严重缺氧；同时产生大量的二氧化碳和一氧化碳等各种有毒气体，使人们因窒息中毒而死亡。

　　但是，正如通风良好的工厂里面不容易发生粉尘爆炸一样，在空气扰动厉害的暴风雨气象环境中，燃料空气炸弹就会不容易剧烈爆炸，失去威力。

　　桀骜不驯的大粒子

　　气溶胶粒子在我们的生活中极为寻常可见，它们的大小千差万别，各自的性情自然也各有千秋。大风起时，原本静静躺在地上的沙粒，此时在漫天风沙中就成了浮粒，但它们的颗粒相当大，在1毫米上下，用肉眼便可以清楚分辨出来。这样大的粒子很难在空气中长久停留，只要风力稍弱，它们便纷纷尘埃落定，这样的浮尘没有多少故事可以讲述。真正能在空气中长久悬浮的粒子要比1毫米小得多，通常都在10微米以下。

　　而气溶胶粒子的主要成员其实都在1微米以下，它们被称之为次微米浮粒。这些次微米浮粒已经小到肉眼不能直接分辨，通常须用显微镜，甚至电子显微镜才能看见它们。只有当它们在空气中非常密集时，在强光的照射下才能让我们的肉眼看到它们“似烟似雾”的踪影。科学家们发现，这些半径在0.1～1微米的气溶胶粒子似乎是浮粒家族中最为顽固的分子。

　　德国大气化学家雍耶以微米为中心，把大气中的气溶胶粒子按其大小分为三类：艾特肯粒子：半径小于0.1微米的浮粒；大粒子：半径在0.1～1微米的浮粒；巨粒子：半径大于1微米的浮粒。这种分类法惟独把“大粒子”的尺度界定得最清楚，似乎它们的地位在所有浮粒中最为突出。这是有其道理的。

　　道理之一是，粒子的大小和它们能否在人体内停留有很大的关系。我们使用的口罩防护工具，以及我们的鼻腔过滤系统，都只能对较大的巨粒子起作用。而大粒子及艾特肯粒子由于颗粒很小，可以轻易地溜过鼻毛黏液的阻拦过滤而进入肺内。众所周知，人类肺脏中有数不清的弯曲而细小的支气管通道。这些原本为了迅速吸收氧气而“设计”的通道，对于浮尘微粒来说却是“迷宫”一般。艾特肯粒子由于体型太微小，它们倒很容易在进入肺内通道后又随着呼气过程被排出体外。但是对“大粒子”而言，想要重新从小通道中“全身而退”就没有那么简单了。结果大量的大粒子全被卡在通道中，有进无出，阻碍了这些小支气管的畅通。如果大粒子本身是有毒性的物质，后果更不堪设想。

　　另一个被称为大粒子问题的现象是气溶胶的老化现象。气溶胶刚刚形成的时候，其中浮粒的大小参差不齐，不但有许多艾特肯粒子，也有许多大粒子及巨粒子。但是奇怪的是，如让这团新生的气溶胶悬浮几天之后，无论它原来里面有多少种浮粒，最后都会“老化”成一种半径靠近0.1微米的大粒子。这是什么道理呢？

　　原来这和气溶胶的“动力特性”有关，这也是雍耶的另一发现。浮粒在气溶胶中会因遭受空气分子不间歇的撞击而产生随机运动，这就是人们熟悉的布朗运动(1827年，英国植物学家布朗把花粉悬浮在水里，用显微镜观察，发现花粉的小颗粒在作不停的、无秩序的运动，这种现象叫做布朗运动)。两个小粒子撞在一块，如果良缘天定，就会合并成一个较大的粒子。这一来当然使半径较小粒子越来越多地合并成了较大的粒子。这种因布朗运动相撞而合并的情形以艾特肯粒子最为迅速，因为它们个子小，所以布朗运动剧烈，碰撞的机会多，容易合并。于是乎，一团新鲜的气溶胶在过了几天之后，艾特肯粒子大都纷纷合并成为大粒子。而巨粒子呢？由于它们的体型较大，布朗运动的效应太弱，有许多大块头在几天之内便掉落地面，不再是气溶胶的一分子了。而那些处于中间大小的“大粒子”既无太迅速的布朗运动效应，又不会像巨粒子那么容易掉落，因此过了几天之后，这些大粒子们还是大致保持原样，挂在空气中。

　　在各种灾害性的浮尘事件中，其实主要都是大粒子在起主要作用，它们是使人类感到最桀骜难驯的角色。

　　参与全球性毁灭的帮凶

　　这些在空气中漂浮的尘埃浮粒并不只是无所事事地挂在天空中漫游，它们的存在对于大气的物理及化学过程有相当大的影响，并常常在全球气象灾害中扮演重要角色。

　　首先，如果空气中有大量的浮粒，能见度马上降低，整个地区会被一层烟雾似的浮粒所遮盖而使景物的轮廓显得模糊不清。气象学上的“霾”便是这种浮粒产生的效果。在工业尚未发达的过去，霾的发生多半只和天气过程有关，也不十分寻常。但是在工厂处处的今天，人工过程便会产生大量的浮粒，结果是在大都市地区通常都有大量浮粒，不只能见度降低，连市容(尤其从上空看下去)也倍觉丑陋。

　　但最可怕的是，它们会严重干扰太阳光到达地球的过程。由于大粒子浮粒的大小尺度接近可见光的波长(0.4～0.7微米)，它们会非常有效地散射可见太阳光。而太阳的可见光是太阳辐射中能量最集中的波段，也几乎是地球上气候变化过程以及各种生物生命活动中唯一的总
能源。如果大量大粒子微粒悬浮在大气中的话，太阳可见光会被严重散射回太空中，我们的地球就会“吃不饱”能量，最终导致气候转冷，严重影响生物的生存。

　　小粒子灭绝大生物的故事并非耸人听闻，在我们的地球上已经上演过。不可一世的侏罗纪
恐龙为何会灭绝？目前有一种说法，认为地球表面遭受到巨大的彗星或陨石的撞击，以致扬起遍布四海的巨大尘云。这些尘云就是浮粒，它们千年不散，就是因为形成了由大粒子组成的“老化”的气溶胶。它们散射阳光，使地球进入阴霾遍布，酷寒难消，五谷不生的冬季景况，恐龙们连同大量草食动物最后只有饿死灭绝。

　　此外，人们对核战争的担忧，其中一个主要原因就是核爆炸给全球带来的气象灾难。在20世纪80年代，美国及前苏联各贮有可以互相毁灭对方好几次的核子弹头，科学家推算，如果所有核弹爆炸，所扬起的尘云，也不下于使恐龙灭绝的大彗星撞击地球的效果，所以也会造成“核子冬天”的寒冷气候。

　　云是降雨的前提条件，但是浮粒却常常使干旱地区的降雨成为泡影。我们知道，首先必须有浮粒存在，作为凝结核来形成水滴，或者作为冰核来形成冰晶，从而形成了水汽凝结的美丽的白云。也就是说要是大气中没有浮粒，白云则无从存在。然而当前地球上空大气的问题却是因为人类肆意燃烧各种化石燃料和焚烧木材，使烟尘浮粒太多。当浮粒形成的凝结核与冰核太多时，也就会形成更多的小水滴及冰晶，结果在水汽量一定的情况下，这些小水滴及冰晶由于没有足够多的水分而长不大，重量太轻而降不下来，结果是“密云不雨”，望云兴叹，造成大地干旱。