风沙物理学复习题

./风沙物理学〔看做的两个实验绪论风沙物理学概念：风沙物理学是以物理学的观点来研究风与沙物质地表相互作用规律的科学。流体力学基本理论〔看近地面气流运动规律〔看沙物质及其基本性质沙物质的物理意义：能够形成风沙流的所有地表固体碎屑物质沙颗粒大小、形状和圆度如何描述当量直径：具有相同体积的球体直径。中值粒径：对应于重量百分数为50％的粒径。平均粒径：do=1/3<φ16+φ50+φ84>沙物质粒径分布如何表达分选系数：Sc=<d75/d25>1/2梯级频率粒配曲线：颗粒粒径为横坐标,重量或粒数的频率百分数为纵坐标得到的一系列相邻的矩形图组。累积频率粒配曲线：颗粒粒径为横坐标,以小于〔或大于某一粒径的颗粒重量占样品总重量百分数为纵坐标得到的图形。沙颗粒表面组织与环境有何关系陆沙漠沙石英颗粒表面结构特征：较好的磨圆度；有大量的机械撞击痕迹,撞击坑成群出现；强风暴时由一次撞击作用形成碟形撞击坑；沙粒在滚动和跃移中相互磨擦、碰撞形成麻坑。化学沉淀作用发育,沉淀多见于各类撞击坑底部成硅质球,一些砂粒表面有大量沉淀形成硅质薄膜并出现裂纹．海岸沙丘沙石英颗粒表面结构特征：化学溶蚀作用较陆沙明显,沿构造软弱部位发展成溶蚀沟、溶蚀洞,甚至出现方向性三角形坑等溶蚀形态。有代表海滩环境的水下撞击V型坑。具有代表风成环境的典型特征,如磨圆好、碟形坑,沉淀层和裂纹；有代表水下环境的撞击坑、化学溶蚀坑等。即具有海滩沙特征,又具有叠加其上或与其共生的风成环境特征。沙漠沙颜色是怎么回事？沙颗粒颜色—取决于矿物成分并随环境条件的改变发生变化。淡黄色、黄色、黄橙色或棕红色是典型颜色。也有一些是青灰色、红色、白色、黑色。彩色沙漠：美国科罗拉多大峡谷所在的亚利桑那州,火山熔岩矿物质沙石,具有紫色、黄色、红色、绿色、白色和兰色。库姆塔格沙漠竟然是一个五彩沙漠,沙子有红、黄、蓝、黑、白、绿等各种颜色,与我们最初想象的黄沙漫漫相去甚远。被风化的五彩的风凌石再风化就慢慢碎成了沙子,逐渐形成沙漠。黑色沙漠：卡拉库姆沙漠,棕黑色,黑色岩层风化形成。白色沙漠：美国新墨西哥州的路索罗盆地。石膏质海床几经变幻,石膏矿被风化后结晶成洁白的微小颗粒。红色沙漠：澳大利亚辛普森沙漠等。其成因是砂石上裹有一层氧化铁,这是铁质矿物长期风化漫染大漠所至。沙鸣现象——筛匀汰净：例如：中卫沙坡头、银肯响沙湾、敦煌月牙山1：风选程度好,沙粒均匀一致,非毛管孔隙多。〔振动频率一致,空气中振动容易传播。<0.11~0.25mm占98％,粉沙0.82％>；2：跃移旋转运动导致沙颗粒钝／次棱角形〔园度0.15～0.25或次园状〔园度0.25～0.4；滚园沙粒不超过3％〔园度0.6～1.0。〔沙颗粒运动自如3：沙粒受热增温干燥,含水量降低,有力发声并促进传播。〔沙颗粒运动自如,振动容易传播湿沙颗粒周围水膜水的力阻止,减弱沙颗粒自如运动和振动传播。〔含水量0.4％,一般湿沙含水量4％。人工筛匀汰净沙颗粒水洗等处理,在水、乙醚、酒精中都可发声。风沙流运动滑移起动学：现代高速摄影资料表明,当风力达到一定值后,颗粒不仅发生滚动和滑动,更重要的是发生滑移。其运动轨迹可以是直线,但更多的是曲线。滑移与滑动不同,滑移是滑翔式运动,滑动是不离开颗粒和支撑表面的全接触式运动。滑移垂直距离一个粒径,水平几个到几十个粒径距离围迁移。回答了流体起动条件下第一颗沙粒是如何首先跳起来的问题。猝发起动学的基本观点〔层流底层、主流紊流层、各层对沙层颗粒的影响。沙颗粒启动过程和机制：在风力作用下,当风速达到某一临界值时,个别突出的沙粒受到湍流运动和压力脉动的影响,开始出现振动或小摆动；当风速增大超过临界值之后,沙粒的振动也随之加快,正面推力和上升力也随之加大,并足以克服重力的影响,在较大旋转力的作用下,促使一些最不稳定的沙粒首先沿沙面滚动或滑动和滑移,由于沙颗粒的几何形状和所处的空间位置的多样性以及受力状况的多变性,因此,在滚动和滑移的过程中有些沙粒与地表突起的沙粒碰撞,或被其他沙粒碰撞时,会获得很大的冲量。于是,沙颗粒在冲击力的作用下,在碰撞瞬间由水平运动急剧转变为近乎垂直运动进入气流中。沙粒的起动风速起动风速：沙粒在一定的风力作用下开始运动,使沙粒开始运动的临界风速即为起动风速。相同条件下,流体起动风速值大于冲击起动风速值流体起动\冲击起动与风蚀的物理意义和他们之间的关系风蚀：气流<风力>作用下土壤圈或岩石圈的破损。风蚀过程是风力作用引起的地表物质脱离地表、搬运和再堆积过程的统一。根据气流性质之差异,风蚀又分为：吹蚀<deflation>-大气将地表沙和土壤物质吹起搬运称吹蚀,即净风侵蚀；磨蚀<abrasion>-地表物质受风沙流冲击及摩擦,即风沙流侵蚀。起动性质不同：流体起动为风蚀性起动,冲击起动为置换性起动。分选性不同：流体起动具有主动分异性,冲击起动具有随机分异性。关系：两种起动兴衰与共不可分割。风沙流中沙粒运动有四种形式：蠕移运动：滚动/滑动全接触式运动0.5～2.0mm,占总量1/4滑移：瞬时离开沙床表面的滑翔式〔X:几～几十粒径,Y：1个粒径>跃移运动：0.5～0.05mm极易区0.2～0.15mm占总量3/4悬移运动:<0.1mm,极少,近风速度在运动跃移质对沙粒运动物理意义1跃移质占到风沙流总沙粒的1／2～3／4凌裕泉在莎车测定风速在5～10m/s,跃移质78％——风沙流中的沙颗粒以跃移运动为主290%以上的跃移质都在地表附近30cm高度围运动——风沙流是一种贴近地表的运动现象〔1-23蠕移质直接从跃移质取得动量.可以推动6倍于跃移质直径,200倍于它重量的沙粒4对悬移质的驱散作用,使悬移质容易随气漩飘移连锁反应：直接或间接促进地表风蚀〔3-4５跃移质是风能消耗大户,严重阻滞流体起动作用跃移的双重性：促进磨蚀,抑制吹蚀〔3-4-5>跃移运动：起跳角α：一般大于30°,多在30～50°之间〔79.5%60～80°<27.7%降落角β：一般小于30°,多在10～16°之间沙粒在运动过程中高速旋转,〔数百到一千转／秒下降颗粒对地表的碰撞的作用基础作用：使地表颗粒活化并激发起来,直接促进沙表层颗粒蠕移运动、悬移质的驱散作用,使悬移质容易随气漩飘移。发展作用：促进蠕移运动转化为跃移运动,加剧沙面的跃移运动,提高沙面的输沙强度。旋转作用：促进沙粒作旋转作用,给少数沙粒升力作用。空中颗粒的相互碰撞空中顶碰:下降颗粒受到上升颗粒的顶撞,以更大的角度上升,但上升颗粒受压抑而转为下降。空中切碰:两个上升颗粒或两个下降颗粒相互切碰后,受益的一方以更大的角度和速度上升,受损的一方下降。为何沙颗粒运动总伴随旋转运动1>沙颗粒大小不一,形状各异,表面粗造,在沙面上排列是随机的.一旦被风力吹动,颗粒表面在摩察和颗粒阻力力矩等合力力矩作用下的运动是势必是旋转运动.2>沙颗粒对地面颗粒的偏心碰撞使颗粒跃起后作旋转动运动,然后在惯性力的作用下,颗粒在空中运移也作旋转运动.3>空中旋转运动的颗粒碰撞后,使颗粒旋转运动的旋转轴和旋转形式发生变化,从而使风沙流中的旋转运动更加多变和多样化.4>气流涡体切变的变形作用促进沙颗粒作旋转运动.风沙流结构及其特征绝对输沙量Q：距地面一定高度的某断面,在单位时间实际输移的沙量。g.cm-2.min-1相对输沙量Q:绝对输沙量占总沙量的百分数%结构数S:特征值λ:1>风沙流是一种贴近地表的运动动现象拜格诺发现,沙面沙颗粒最大的跃移高度为9cm。切皮尔认为,土壤表面90%风沙高度小于31cm。吴正野外观测,气流搬运的沙量80~90%在30cm高度。2>靠近地表其气流所含沙粒越粗3>风沙流运动三大定律风沙流的结构式<第一定律>兹纳门斯基1958年的风洞试验结果:第1层<0—lcm>相对输沙量随着风速的增加而减少.第2层不管风速如何变化<1～2cm>,相对输沙量"保持不变",即等于0～10cm层总沙量20%<平均值20.57%>平均输沙量<即10％>在3—4cm层搬运,高度和沙量保持不变,并不以风速为转移。气流较高层<2～10cm>中的相对沙量随着风速的增大而增加。沙波及沙丘的形态及运动规律风成基面的基本特征景观性形状各异,大小不等,排列有序重现性沙丘成群分布,其形态尺寸具有重现性规整性在同一地区,沙丘起伏、疏密、间距、走向等十分规整有规律。变异性不同地区,沙丘形态、起伏、疏密等各不相同沙丘和丘间低地相间排列。风成基面与风沙流运动的关系〔相互依存,相互促进、互为因果沙纹的形态特征和形成机制。〔沙纹是跃移质与床面重复冲击作用的产物。空气流动沙纹是跃移质与床面重复冲击作用的产物水流形成沙纹是直接通过水的直接力量作用淤泥的砂颗粒形成的新月形沙丘形成机制：沙斑／片—气流遇到障碍物：主流；二次流；动沙阻力；饼状沙堆—背风面附面层分离,沙粒堆积：主流；二次流；动沙阻力；分离线作用盾状沙堆—附面层分离增强,沙粒堆积多：主流；二次流；动沙阻力；分离线；兽角生长作用雏形新月形—附面层分离更强,沙粒堆积：主流；二次流；动沙阻力；分离线；兽角生长作用二次流的物理意义及其在沙丘形成中的作用？概念：边界层上的流体,由于受到横向压差力的作用,发生垂直于主流指向压力较小一边的附加运动。形成：杯壁磨擦,周围的流体质点流速慢,压力大。二次流作用：使流体质点向着速度大、压力小的横方向运动二次流在沙片形成中的作用：二次流是叠加于主流场的附加横向流动,它能够推动主流中的沙土颗粒向着速度大、压力小的横方向运动。沙片是在合适的地表环境条件下<如地表上存在的小鼓包和脊埂等>,由于二次流的存在,它将给绕体主流中沙土颗粒以横向的推动而使之在其上聚集起来。因此,沙片应首先堆积于速度较大和凸起的区域,而不是相反。这从自然界沙片经常出现的区域,如脊埂、土包上和路堤的迎风边坡和弯道的凸出一侧<对道路>,都可以证明二次流作用是确实存在的。沙子的最初堆积,亦可能是由于地形、地物及地表糙度的突然变化而产生,甚至可能是由于气流的脉动而引起输移沙量的突然改变,从而引起了沙粒的原始堆积。但是,所有这些都不会影响二次流在较平坦地表上形成沙粒的初始堆积,特别是堆积体发展上的作用。一旦沙片形成,尽管是最初薄薄的一片,但它和小鼓包一样犹如在平坦风沙流流经的地表上附加一个向心压力场。由于沙片顶高出周围,当风速略为加大,压力稍有减小,于是二次流就会进一步把沙片周围的沙粒推向沙片顶上,使之向沙片靠拢、集中。并且由于沙片表面又附加了一个动沙面阻力,沙片会像风沙流动路上的一个过滤器,对直接通过沙片的颗粒有拦截作用。因此,沙片不但不会轻易被吹散,而且会不断发育成长。很少见到像新月形沙丘那样形成一连串由大到小的沙片串,沙片不稳定并逐渐发育成饼状沙堆,盾状沙堆,新月形沙丘。风积地貌形态根据成因－形态可以分成：横向沙丘：沙丘形态走向和起沙风合成风相垂直或成６０～９０度．〔复合新月形沙丘,复合新月形沙丘链,抛物线沙丘、梁窝状沙丘、格状沙丘。纵向沙丘：沙丘形态走向和起沙风合成风相平行或成３０度以下交角．新月形沙垄。多方向风作用下的沙丘：沙丘形态本身不与起沙风合成风向或任意风向垂直或平行．金字塔沙丘、穹状沙丘、蜂窝状沙丘。单一风向作用下沙丘移动规律迎风面下部沙粒蠕移到丘顶后,在重力作用落入落沙坡迎风坡砂颗粒跃移过沙丘脊,跌落堆积于落沙坡蠕移和跃移的沙颗粒均是沿着垂直于沙丘脊的方向落入落沙坡堆积的。并不是按气流运动方向前进的。沙丘移动是通过"滑动面"的作用来实现的；滑动面的前移是通过一系列不连续的突变"滑塌"来实现。沙尘暴形成与发展沙尘暴、黑风暴等概念沙尘暴是沙暴和尘暴两者兼有的总称,其中沙暴系指大风把大量沙粒吹入近地面气层所形成的携沙风暴；尘暴则是大风把大量尘埃及其它细粒物质卷入高空所形成的风暴。黑风暴是一种强沙尘暴,俗称黑风,沙尘暴的一种,大风扬起的沙子形成一堵沙墙,所过之处能见度几乎为零〔最高时也不足2米。它是强风、浓密度沙尘混合的灾害性天气现象。强风是启动力,具有丰富沙尘源的荒漠是构成黑风暴的物质基础。黑风暴的特征：风沙墙耸〔song立：远看风沙墙高耸如山,极像一道城墙；近看形状像菜花向上拱起,部沙尘不断翻滚,很想原子弹爆炸时蘑菇状烟云。侧看有一个"冷空气鼻"天昏地暗：近地面空气很不稳定,下面热空气上升,周围空气流过来补充,以致空气中携带大量的石头、砂土上下翻滚,形成无数大小不一的沙尘团在空汇冲腾,浓密的沙尘铺天盖地,瞬间遮住了,伸手不见五指。流光溢彩：风沙墙的颜色流光溢彩。上黄、中红、下黑三种颜色的旋转式沙尘团。中国特强沙尘暴的主要路径西北路径：占７６.９％,移动迅速,强度大,影响面积大,灾害重〔哈密－－中宁一线。西方路径：占１５.４％,沙尘暴持续时间较西北路径长。北方路径：最少,占７.７％沙尘暴主要危害方式⑴强风：携带细沙粉尘的强风摧毁建筑物及公用设施,造成人畜亡。⑵沙埋：以风沙流的方式造成农田、渠道、村舍、铁路、草场等被大量流沙掩埋,尤其是对交通运输造成严重威胁。⑶土壤风蚀：每次沙尘暴的沙尘源和影响区都会受到不同程度的风蚀危害,风蚀深度可达1～10厘米。据估计,我国每年由沙尘暴产生的土壤细粒物质流失高达106～107吨,其中绝大部分粒径在10微米以下,对源区农田和草场的土地生产力造成严重破坏。⑷大气污染：在沙尘暴源地和影响区,大气中的可吸入颗粒物〔TSP增加,大气污染加剧。沙尘暴形成的基本条件一是大风,这是形成沙尘暴的动力条件；二是地面上的沙尘物质,它是沙尘暴的物质基础,三是不稳定的空气状态,这是重要的局地热力条件。沙尘暴的特征霾和雾的区别区别在于发生霾时相对湿度不大,而雾中的相对湿度是饱和的<如有大量凝结核存在时,相对湿度不一定达到100％就可能出现饱和>。一般相对湿度小于80％时的大气混浊视野模糊导致的能见度恶化是霾造成的,相对湿度大于90%时的大气混浊视野模糊导致的能见度恶化是雾造成的,相对湿度介于80-90%之间时的大气混浊视野模糊导致的能见度恶化是霾和雾的混合物共同造成的,但其主要成分是霾。霾的厚度比较厚,可达1－3公里左右。霾与雾、云不一样,与晴空区之间没有明显的边界,霾粒子的分布比较均匀,而且灰霾粒子的尺度比较小,从0.001微米到10微米,平均直径大约在1－2微米左右,肉眼看不到空中飘浮的颗粒物。由于灰尘、硫酸、硝酸等粒子组成的霾,其散射波长较长的光比较多,因而霾看起来呈黄色或橙灰色。沙尘暴过程常伴随周遭地区出现浮尘天气现象,请问浮尘沙尘天气与霾有何区别？一、概念霾：指空气中的灰尘、烟尘、硫酸、硝酸、有机碳氢化合物等大量极细微的干尘粒子均匀的浮游在空中,使空气浑浊,视野模糊并导致能见度恶化,如果水平能见度小于10000米时,将这种非水成物组成的气溶胶系统造成的视程障碍称为霾。浮尘：远地或本地产生沙尘暴或扬沙后,尘沙等细粒浮游空中而使水平能见度小于10km的天气现象。二、成因：霾形成有三方面因素。〔一是水平方向静风现象的增多,大气稳定。随着城市建设的迅速发展,大楼越建越高,增大了地面摩擦系数,使风流经城区时明显减弱。静风现象增多,不利于大气污染物向城区外围扩展稀释,并容易在城区积累高浓度污染。〔二是垂直方向的逆温现象,大气定条件。逆温层好比一个锅盖覆盖在城市上空,使城市上空出现了高空比低空气温更高的逆温现象。污染物在正常气候条件下,从气温高的低空向气温低的高空扩散,逐渐循环排放到大气中。但是逆温现象下,低空的气温反而更低,导致污染物的停留,不能及时排放出去。〔三是悬浮颗粒物的增加。近些年来随着工业的发展,机动车辆的增多,污染物排放和城市悬浮物大量增加,直接导致了能见度降低,使得整个城市看起来灰蒙蒙一片。霾的形成与污染物的排放密切相关,城市中机动车尾气以及其它烟尘排放源排出粒径在微米级的细小颗粒物,停留在大气中,当逆温、静风等不利于扩散的天气出现时,就形成霾。浮尘往往是沙尘暴天气过程的周边地区伴随的天气现象。所以,产生的原因是沙尘起源地强风、裸露的土壤和沙粒子、大气热力学不稳定状态。而浮尘地区大气稳定条件。在比较干旱或沙漠地区,裸露地面的土壤和沙粒子,由于大风和强湍流作用,,被风和湍流带到空中,并被气流带到非裸露的地面而发生的沙尘天气。沙尘粒子被带到高空,随高空气流传输到遥远的地方。在沙尘源地,可以形成高数十米的沙尘暴墙,使某些地方的大气中有极高的沙尘粒子浓度。三、物质组成：霾由灰尘、烟尘、硫酸、硝酸等组成,粒子的分布比较均匀、尺度极小,从0.001微米到10微米,平均直径大约在1－2微米左右,肉眼看不到空中飘浮的颗粒物；就地排放污染物为主。浮尘粒子既有大于10微米沙尘,也有小于10微米的颗粒物,外源沙尘颗粒物为主。四、时间霾多发生在冬春季节,持续时间也较长,它可在一天中任何时候出现。浮尘常常伴随沙尘暴天气过程,多发生在春季节。五、空间分布霾全国各大城市均可发生,主要存在着4个霾天气比较严重地区：黄淮海地区、长江河谷、盆地和珠江说三角洲。浮尘天气多发生在沙漠分布周边的三北地区。六、颜色由灰尘、硫酸、硝酸等粒子组成的霾,其散射波长较长的光比较多,因而霾看起来呈黄色或橙灰色。使远处光亮物微带黄、红色,使黑暗物微带蓝色。浮尘天气出现时远方物体呈土黄色,太阳呈苍白色或淡黄色。风沙运动学的研究方法风信：风的活动状况,包括风的速度、方向、脉动频率和持续时间。土壤风蚀机理及其与风沙流形成运动有何不同？土壤风蚀是指一定风速的气流作用于土壤或土壤母质,土壤颗粒发生位移造成土壤结构破坏、土壤物质损失的过程。它的实质是气流或气固两相流对地表物质的吹蚀和磨蚀过程。风蚀过程主要包括土壤团聚体和基本粒子的分离、输送和沉积。每一步是由个别的土壤物理和气象过程确定的,粒子的初始运动很少引起注意,人们主要进行运动模型的研究。土壤风蚀受哪些因素影响？土壤质地、水稳性结构、碳酸钙、有机质、机械组成等与风蚀度有关系。风蚀度明显地受土壤中细粉粒比率影响,在其它因子相同时,风蚀量几乎随土壤中所含易蚀部分对不易风蚀颗粒部分的比例而成正比变化；土壤风蚀度主要决定于土壤中干团聚体结构和块状结构,可以通过土壤干团聚体估算风蚀度；在其他因素保持不变时,风蚀度随着易风蚀颗粒或团聚体容重的平方根变化。土壤风蚀度决定于土壤中所含干燥的不风蚀部分的体积,土壤风蚀度不直接决定于不风蚀部分的比重,也不直接决定于不风蚀部分的容重。土壤风蚀度和直径<0.02mm及>0.84mm的水稳性颗粒百分比之间存在着反比关系。相反0.05～0.42mm的颗粒有助于增大风蚀度；0.02～0.05mm及0.42—0.84mm的颗粒有助于减少风蚀度,但是比起<0.02mm及>0.84mm的颗粒作用稍小一些。土壤质地对风蚀度有很大影响,质地最粗和最细的土壤比中等质地的土壤更易风蚀,风蚀度随土壤中直径小于0.42mm或0.84mm土粒的百分数而变化,随土壤中砂粒、粘粒和粉粒的比率而变化；在粉砂壤土和砂质壤土中,含l％-5％碳酸钙将会大幅度引起土块碎裂、土块机械稳定性的降低,并增加风蚀度。在壤质砂土中,随碳酸钙量的增加．风蚀度随之减少；分解后的有机质会增加土壤的易蚀性；对于由单一机械组成<砂、粉砂或粘土>的土样,直径在0.005～0.01mm的粉砂土具有最大的团聚度和抗风蚀度,土壤中粉砂的比率越大,砂的比率越小,则风蚀度越低目前土壤风蚀预报中最完整,手段最先进的时何模型？风蚀预报系统<WEPS>进入20世纪90年代以来。针对风蚀方程的局限性,美国农业部组织一批科学家综合风蚀科学、数据库以及计算机来推进土壤风蚀预报技术,经过修正风蚀方程<RWEQ>的过渡,最终形成风蚀预报系统〔WEPS取代风蚀方程。WEPS的目标不仅是主要针对农田,而且兼顾草原地区,适用于不同的时空尺度序列。WEPS是一个包括有三部分的系统；即风蚀模型〔主程序、输入输出模型〔用户界面辅入部分和数据库模型。风蚀模型引入子模型的概念,以模块的形式组成,包括7个子模型,7个子模型分别为：侵蚀、气象、作物生长、分解、土壤、水文、耕作子模型。作物生长、分解、土壤、水文及耕作子模型的功能在于预测决定土壤可蚀性的暂时性土壤与植被特征及其对气象子模型输入的响应。最后当风速大于侵蚀临界时,用侵蚀模型来计算土壤流