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意中人踩着七彩祥云来娶她,却在半路上被电死了?

上一篇 / 下一篇  发布日期 2016-12-19 10:51:27  更新日期 2016-12-19 11:03:55 / 个人分类:科技前沿

文/黄素逸

华中科技大学能源与动力学院教授、博士生导师

  你可曾想到,常常给我们带来无尽遐想的云朵,有一天人类可以利用它们制作云红外激光器发电,开发大气云雾形成时产生的辐射能。

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云朵中蕴藏巨大能量

  天空中的云形态各异——有的像一簇簇纤白的羽毛,有的像一缕缕轻盈的细丝飘在蔚蓝的天幕上;有时候像镶嵌着银边的鳞片,有时候却又像一团团白色的棉花。气象学家告诉我们,这些不同种类的云的产生和消散,不同种类的云相互之间的演变和转化,都不是无缘无故的,而是在一定的水汽条件和大气运动的条件下进行的。

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  形成云的最基本的条件是,充分的水汽、能使水汽凝结的冷空气以及能促使水汽凝结的凝结核(如烟粒、尘埃等)。众所周知,物体在固态、液态或气态之间转变时,即相变过程中,一定伴随有热的变化。例如,水蒸气凝结成水时会向外放出热量,而冰融化成水时则需要从外界吸收热量。传统的理论认为,水蒸气凝结成水时其热量是通过热传导方式向外散发出去的。直到20世纪60年代,苏联科学家马克·佩雷尔曼首先用量子理论研究了液态转化为固态(即凝固)和气态转化为液态(即凝结)的相变过程后,提出了不同的观点。按照量子理论,电子具有离散的能量级,从高能级转变成低能级要发射光子。因此,他认为水蒸气凝结时,水分子从高能级(气态)变为低能级(液态),在这个过程中会以光子或者声子的形式释放出热量

  佩雷尔曼和同事在真空条件下进行水蒸气凝固和凝结的实验,先后测到了波长为28~40微米和4~8微米的红外辐射。晶体学家维塔利·特塔切科在莫斯科固态物理研究所研究金属和盐结晶时也发现融化物结晶时会向外发射红外辐射。他认为,这些辐射可用来控制材料生产过程。通过长达几十年的研究,特塔切科和佩雷尔曼证实了在相变过程中确实存在电磁辐射,并于2007年发表论文将这种现象称之为相变辐射。

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  现在,根据水蒸气凝结过程的相变辐射理论,人们可以计算出相变辐射强度和相变辐射频率。研究还发现,水蒸气相变散热可以发射单个光子,也可以辐射频率相同或不同的多个光子。正是这一新理论为云能量的利用提供了依据。

云能的应用前景广阔

  那么,云层相变辐射现象有哪些应用前景呢?首先,利用相变辐射技术,人们可以制作云红外激光器,开发大气云雾形成时产生的辐射能。将一束红外光子打入水蒸气,并在内部往复运动,激励水蒸气凝结,释放更多的光子,适当引出部分光子即可发电。一个1平方米的云红外激光器平行反射系统,引入速度为1米/秒的饱和湿空气,施加一个合适的激励,使水蒸气冷凝,冷凝的速度约为10克/秒,释放出的能量约为25千瓦。如果激光器效率为8%,发电功率达到2千瓦,那么可比普通太阳能硅电池功率高20倍

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  云层相变辐射还可用于气象预警。暴风云形成冰雹时伴随着强烈的红外辐射,辐射强度与云形成速度成比例。探测大气红外辐射的强度能够对破坏性的飓风和其他强暴风雨提供预警。红外探测可在暴风雨完全形成之前就进行预测,非常适合预报破坏性的暴风雨。借助红外辐射探测还可以确定其他行星大气是否存在水源,帮助解释木星大红斑(木星上最大的风暴气旋)的颜色。红外辐射还可以用于为地球降温,人为创造高空云层,将热量散发到太空。

  此外,利用相变辐射可探索材料加工的新方法。这种方法主要是利用外部辐射来激发材料的相变辐射,用相变释放的热量来控制相变速度和结晶的大小。如果选择的外部辐射合适,就能得到最优的晶体结构。因此,相变辐射技术可以用于新材料的开发。

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  显然,随着人们对云认识的加深,特别是对相变辐射的进一步研究,不但能有效地利用云能,而且能对全球气候变化问题有更深入的了解,并最终找到解决的办法。



相变辐射理论的争议

相变辐射理论听起来很难被人们接受,到目前为止科学界仍然充满争议。例如,英国著名气象学家梅森提出了大气中水蒸气凝结的梅森模型。该模型认为,水蒸气凝结放出的热量都是从云滴表面通过周围空气传导而耗散的。我国大气物理学教材对梅森模型的解释是“水汽凝结释放的热量既升高了云滴表面温度,又向外传导热量”。从完整的热力学意义来看,梅森模型认为低温大气中的水汽凝结在高温的云滴上,一方面使云滴表面温度升高,另一方面又反过来通过热传导将热量传给包括低温水汽在内的周围大气。但是,这与我们熟知的热力学第二定律所揭示的“热不能自发从低温物体传给高温物体”的自然规律是相违背的。

飞机云

人们经常能在天空中看到飞机云

穿洞云

科学家研究发现,飞机可以在云团中形成穿洞云,还令其产生降水

  水蒸气在高空凝结了,其释放的热量又不能以热传导方式传给周围的大气,那么这些热量去了哪里呢?为此,我国学者也在对此进行思考。有的学者认为,热量是以电磁辐射方式向四周发射,其中大部分向宇宙空间辐射,少部分向地面辐射。通过对大气极低频和低频(78赫兹~9兆赫)无线电噪声的研究,研究人员发现这种无线电噪声与大气中水蒸气凝结特性非常吻合。例如,大气极低频和低频辐射夜间高于白天,这与夜间水蒸气凝结更多非常一致;这种辐射夏季高于冬季、海上高于陆地,这与夏季和海面水蒸气多及凝结多也是一致的。因此,我国学者认为大气无线电噪声的主体应来自水蒸气的凝结。这一观点和前述特塔切科和佩雷尔曼的相变辐射理论是一致的。  

不过,目前人们对于云的认识还十分肤浅,作为研究云的热力、动力结构及其演变规律的云动力学的兴起就是一个很好的例证。对于人们经常看到的飞机云、奇特的穿洞云等现象,科学家们还需要做更多的研究。


——选自《科学画报》

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