霧、靄和霾是幾種多見(jiàn)的天氣現(xiàn)象。它們都是由大氣中懸浮的各種顆粒物造成氣象能見(jiàn)度的下降。近年來(lái)由于人類(lèi)活動(dòng)造成這種低能見(jiàn)度的天氣頻繁出現(xiàn)，對(duì)人民群眾的出行和健康造成了很壞的影響，社會(huì)對(duì)它的關(guān)注度也迅速提高。
作為一種天氣現(xiàn)象，霧、靄和霾一直是地面氣象觀測(cè)項(xiàng)目的內(nèi)容之一。對(duì)這些現(xiàn)象，國(guó)際氣象組織也有過(guò)明確的規(guī)定。在1994年氣象出版社出版的中英法俄西國(guó)際氣象詞典 (這是由國(guó)際氣象詞典編譯組譯的 WMO International Meteorological Vocabulary 1992) 中，對(duì)這些現(xiàn)象就有明確的定義。
霧 ：大量微小 (通常在顯微鏡下才能分辨) 水滴懸浮于空氣中的現(xiàn)象，它一般會(huì)使地面的水平能見(jiàn)度降低到1 km 以下。
靄 ：懸浮在空氣中的微小水滴或濕的吸濕性微粒，它能使地面的能見(jiàn)度降低。
霾 ：空氣中懸浮著的極小的、干的微粒，這些微粒肉眼看不到，數(shù)量卻非常多，足以使天空變得渾濁。
從上面三個(gè)名詞的定義可以看出，這三種現(xiàn)象都是由空氣中懸浮的微粒所造成的，其結(jié)果都是使水平能見(jiàn)度下降或使天空變得渾濁。但在這三種現(xiàn)象中，懸浮的微粒是不一樣的。霧是由懸浮的水滴形成；霾是由懸浮的干的微粒形成的；而靄是介于這二者之間，是由微小水滴或濕的吸濕性微粒所形成的，可以說(shuō)是從霾到霧的過(guò)渡階段。正是由于懸浮粒子的不同，造成它們來(lái)源、形成的過(guò)程及其物理化學(xué)特性都將不同。區(qū)分霧、靄和霾這些現(xiàn)象就要從它們的形成過(guò)程和物理化學(xué)特性等方面去考慮。
從形成過(guò)程來(lái)考慮，霾是干的氣溶膠，可以由其一次源和二次源生成，其中氣溶膠的一次源是指直接以顆粒物形式排放到大氣中的氣溶膠，包括被風(fēng)揚(yáng)起的細(xì)沙和微塵，海水濺沫蒸發(fā)而成的顆粒，火山噴發(fā)的散落物，森林或其它生物體燃燒的煙塵，人類(lèi)燃燒礦物燃料排放的煙塵以及人類(lèi)的生產(chǎn)和生活過(guò)程中排放的灰塵等; 二次源是指排放到大氣中的氣態(tài)污染物，經(jīng)過(guò)復(fù)雜的大氣化學(xué)過(guò)程，在大氣中生成的氣溶膠粒子。而霧是由水滴組成的，它是通過(guò)水汽的凝結(jié)所形成的，是水汽相變過(guò)程的產(chǎn)物。
如果僅僅說(shuō)到這里，事情似乎是十分簡(jiǎn)單的。但實(shí)際上并非如此，物理學(xué)研究己[似乎遺漏了一段話(huà)]經(jīng)非常清楚，在地球大氣條件下，不可能由均質(zhì)核化過(guò)程形成微小的云滴或霧滴，它們只能通過(guò)異質(zhì)核化過(guò)程形成。 這里所謂水汽的均質(zhì)核化是指水汽分子自動(dòng)地結(jié)合在一起，形成液態(tài)的小水滴; 而異質(zhì)核化是指水汽分子依附在某一個(gè)固體的凝結(jié)核上，然后以此為據(jù)點(diǎn)，讓其它水汽分子不斷凝結(jié)上來(lái)，使滴長(zhǎng)大成為一個(gè)穩(wěn)定的小水謫。由于二次源氣溶膠的產(chǎn)生也涉及到大氣中新生氣溶膠粒子的形成，而且很可能也是通過(guò)異質(zhì)核化。這樣一來(lái)它們和霧滴的形成就沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的差別了，不同的只是霧滴是由水汽的相變，而二次氣溶膠則是由其它污染氣體，例如硫酸蒸氣的相變形成的。
經(jīng)典的云滴核化理論是由寇拉在1936年完成的，他在研究一個(gè)吸濕性粒子起凝結(jié)核作用的過(guò)程中，綜合地考慮了當(dāng)水汽分子在核上凝結(jié)時(shí)，由于溶液的濃度造成所要求的平衡水汽壓的下降和由于曲率造成的平衡水汽壓增加這二個(gè)因子，從而給出著名的寇拉曲線(xiàn)。從寇拉曲線(xiàn)可以清楚地看到，在吸濕性粒子剛開(kāi)始潮解時(shí)，由于溶液的濃度很高，其作用大于曲率的作用，因此在相對(duì)濕度不到100%的條件下小滴就可以凝結(jié)增長(zhǎng)。但隨著滴的增大，溶液的的濃度迅速減小，其作用以與半徑立方成反比的速度減小，而曲率的作用是以與半徑一次方成反比的速度減小，因此溶液的影響會(huì)很快地減小，曲率的影響逐漸突出，導(dǎo)致所要求的飽和水汽壓的迅速增加，出現(xiàn)一個(gè)臨界的飽和水汽壓，一般都要求超過(guò)100%。如果環(huán)境大氣能提供這種過(guò)飽和度，那么這個(gè)粒子就可以繼續(xù)凝結(jié)增長(zhǎng)，形成霧粒子; 如果環(huán)境大氣不能提供它所需要的過(guò)飽和度，那么這個(gè)粒子就不能繼續(xù)增長(zhǎng)，其大小將隨著大氣的相對(duì)濕度的變化而變化，這時(shí)我們就稱(chēng)它為靄。因此按寇拉的理論推測(cè)，要形成霧，大氣的相對(duì)濕度一定是在100%或更高。
寇拉的理論是有一定局限性的，主要表現(xiàn)在二方面。一. 他考慮的是很小的粒子，因此當(dāng)溶液的作用變得不重要時(shí)，粒子的尺度仍然很小，曲率的影響還會(huì)有很大，要求環(huán)境大氣有較高的過(guò)飽和度才能讓這個(gè)小水滴繼續(xù)凝結(jié)增長(zhǎng); 二. 寇拉考慮的吸濕性核，其可以作為溶質(zhì)的物質(zhì)是固定的，因此當(dāng)水汽分子不斷地凝結(jié)到這個(gè)滴上時(shí)，溶液的濃度會(huì)很快地下降，從而使溶液的作用迅速下降。但在今天，當(dāng)環(huán)境大氣污染比較嚴(yán)重時(shí)，事情變得有些復(fù)雜。其中一個(gè)可能性是大氣中存在一些可溶牲的污染氣體，如硫酸蒸汽或硝酸蒸汽等，它們可能溶解到小水滴中去，起到溶質(zhì)的作用，因此在水滴增大的過(guò)程中，溶質(zhì)的數(shù)量不是固定的，而有可能會(huì)增加，這就使溶液作用的那一項(xiàng)的減小變得不那么快。另外由于大氣污染會(huì)使大氣中存在許多不同大小的顆粒物，尤其是那些復(fù)合的顆粒物，它們內(nèi)部可能是一個(gè)由不可溶或溶解度不大物質(zhì)組成的核，而在其外表則包裹著一層吸濕的可溶性物質(zhì)，當(dāng)大氣的相對(duì)濕度較高時(shí)，這層吸濕性物質(zhì)就開(kāi)始潮解，使粒子表面形成一層溶液，它可以讓水分子不斷地凝結(jié)上來(lái)，但由于在這粒子內(nèi)部有一個(gè)不可溶的核心，其尺度比較大，曲率的作用就不顯著了。所有這些因素就可以導(dǎo)致在大氣污染的條件下，相對(duì)濕度確實(shí)在100%以下，但己經(jīng)有穩(wěn)定霧出現(xiàn)的可能性，這些霧滴確實(shí)是水滴，而且其尺度也比較大，直徑甚至達(dá)到5到10微米。Markku Kulmala 和 Ari Laaksonen 等在1997年提出了這一問(wèn)題 (NATURE | VOL 388 | 24 JULY 1997), 并在第二年對(duì)它進(jìn)行了詳細(xì)的討論，證明了這種可能性。
現(xiàn)在的問(wèn)題是這一現(xiàn)象在我國(guó)大氣污染較為嚴(yán)重的地區(qū)會(huì)有什么樣的表現(xiàn)？可以設(shè)想，這些過(guò)程確實(shí)會(huì)使大氣污染較為嚴(yán)重的地區(qū)霧發(fā)生的機(jī)會(huì)要增加，而且能見(jiàn)度也降得更低。但是否巳經(jīng)達(dá)到只要較低的相對(duì)濕度就能出現(xiàn)穩(wěn)定的霧了？這還需要有足夠的觀測(cè)數(shù)據(jù)才能下結(jié)論。由于各地污染氣體和氣溶膠的情況差別很大，其結(jié)果也會(huì)是千差萬(wàn)別的。但很可惜，目前氣象系統(tǒng)對(duì)濕度，尤其當(dāng)濕度接近100%時(shí)的測(cè)量精度根本達(dá)不到要求，因此急需組織專(zhuān)門(mén)的觀測(cè)來(lái)檢驗(yàn)這一問(wèn)題。在解決接近飽和條件下的相對(duì)濕度測(cè)量問(wèn)題上，干濕球方法可能是比較合適的。當(dāng)然干濕球方法也有其本身的弱點(diǎn)，如在 0 度以下測(cè)量就會(huì)有麻煩，實(shí)際應(yīng)用中還需綜合考慮。
從地面觀測(cè)的需要來(lái)考慮，找到能客觀區(qū)分霧或霾這些現(xiàn)象的方法還是很重要的。光學(xué)特征是最早被人關(guān)注的途徑之一。一般而言，霧滴的半徑比霾粒子要大，而且它主要是水，其折射率為1.33，而霾粒子的折射率則比較大，在1.5附近，這些參數(shù)的差到使霧滴和霾粒子對(duì)光的散射特性是不一樣的。早在二十世紀(jì)三十年代，F(xiàn)oitzik (1938年) 就測(cè)量過(guò)紅、綠、蘭三種不同波長(zhǎng)光在霧和霾中的消光系數(shù)，其結(jié)論是在霾條件下，這三種顏色光的消光系數(shù)是不同的，蘭光的消光系數(shù)最大，紅光的消光系數(shù)最小; 但在霧的條件下，這三種顏色光的消光系數(shù)幾乎相等。這一結(jié)果從霾粒子尺度比較小，其直徑經(jīng)常在0.1 - 1.0微米的范圍，而霧滴的尺度比較大，其直徑經(jīng)常在1.0 - 5.0微米范圍這一情況來(lái)看也是比較好理解的。Foitzik當(dāng)時(shí)就提出，霧和霾對(duì)不同波長(zhǎng)光消光特性的差別，可以作為一種客觀區(qū)分霾和霧的手段?？赡苁且?yàn)閷?shí)際中對(duì)客觀區(qū)分霧和霾的要求并不迫切，所以至今也沒(méi)有研制出類(lèi)似的儀器。但今天這一區(qū)分的需求己經(jīng)相當(dāng)迫切了，研究這方面的儀器，做到客觀地區(qū)分霧和霾看來(lái)還是有必要的。
除了光學(xué)特性以外，由于構(gòu)成霧和霾物質(zhì)屬性的差別，可能也是客觀區(qū)分霧和霾的一種途徑。因?yàn)殪F是由水謫構(gòu)成的(混合在水謫中的其它污染物，包括作為凝結(jié)核所帶來(lái)的物質(zhì)可以先不做考慮)，而形成霾的干氣溶膠粒子的組分就可能十分復(fù)雜，但應(yīng)當(dāng)不是水。這樣，我們就可以利用一些僅僅與水有關(guān)的物理量的監(jiān)測(cè)來(lái)區(qū)分霧和霾。例如在云物理研究中常用的熱線(xiàn)含水量?jī)x，它是用于測(cè)量云和霧中液態(tài)水含水量的。其測(cè)量原理是讓氣流帶著云滴或霧滴流過(guò)一根被電流加熱的金屬園柱，一部份滴會(huì)撞到這園柱上，由于園柱很熱，水滴將被蒸發(fā)，而在蒸發(fā)時(shí)水滴要吸收蒸發(fā)熱，這將使園柱的溫度下降。測(cè)量這一變化可以算出單位時(shí)間有多少水滴被蒸發(fā)掉了，從而算出云或霧的含水量。由于霾不是水滴組成的，它在這種儀器上將沒(méi)有反應(yīng)，因此通過(guò)對(duì)水量的監(jiān)測(cè)應(yīng)該也可以客觀地區(qū)分霧和霾(不知對(duì)于靄會(huì)有那樣顯示？)。另外微波輻射計(jì)也具有探測(cè)液態(tài)水量的能力，原則上也能用來(lái)探測(cè)以液態(tài)水滴為主的霧，但目前這些設(shè)備的探測(cè)精度都達(dá)不到要求，還需要做更多的開(kāi)發(fā)工作。有計(jì)劃地研制可以客觀地區(qū)分靂和霾的觀測(cè)設(shè)備，并逐步應(yīng)用到地面氣象觀測(cè)的業(yè)務(wù)中去，這也是云、能、天器測(cè)化的一個(gè)重要內(nèi)容。
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