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冬天呼白气,不全是因为冷?南极呼不出白气!

冬天呼白气,不全是因为冷?南极呼不出白气!

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最近几天连续降温,全国大部分地区开启了“速冻”模式,有些南方城市也下起了雪。南方的小伙伴们终于可以不用网上“云”看雪了!


图源:小编的朋友圈


但天气一冷,打哈气、说话、甚至呼吸时都会有白气,白气仿佛成了冬天和寒冷的象征。


大家有没有想过,为什么冬天会呼出白气,夏天却不会?是越冷呼出的白气越多吗?


南极呼不出白气


要想知道呼白气和冷的关系,我们可以去地球上最冷的地方——南极寻找答案。


虽然我们没有办法亲临南极,但我们可以从影视作品中窥到一丝端倪,比如《南极大陆》电视剧中,主人公们似乎并没有呼白气,难道这部电视剧不是在南极拍的?还真不是这样,南极科考过程中,科考队员也经常呼不出白气。这到底是为什么呢?


图源:《南极大陆》剧照


这就要从白气的成因说起了,白气的本质是水蒸气凝结而成的液滴。我们的体温在37度左右,冬天气温和我们呼出的气体温度相差很大,呼出的气体中含有很多水蒸气,水蒸气瞬间冷却凝结形成了一颗颗小液滴,也就形成了我们所说的“白气”。


不过,水蒸气凝结需要凝结核,凝结核是各种各样的固体小颗粒,水蒸气吸附在小颗粒上可以更快地凝结变成液态水。南极的空气很干净,凝结核很少,所以很难立刻形成液滴。如果水蒸气没有很快凝结,就会扩散到周围的空气中,低密度的水蒸气更难凝结,所以就看不到“白气”了。


水的三种形态


我们可以通过水的相图仔细了解一下,相图里面的每个点代表了对应温度和对应压力下,水稳定存在时的状态。我们呼出的水蒸气的分压一般在0.6kPa到101kPa之间,当温度降低时,水蒸气的相点会向左移动变成液态水


但是如果空气中没有凝结核,水蒸气就会暂时进入一种“过冷”的状态,如果此时突然出现凝结核,水蒸气就会迅速液化形成大量的液滴,然而如果在出现凝结核之前,水蒸气扩散开来了,压力降低到0.6kPa以下,就不会再凝结为液态水,即使温度继续降低,水蒸气也会直接凝华成为固态的冰,不会出现白气。


水的相图|中科院之声


如果空气中水蒸气的压力低于0.6kPa,水蒸气就会直接凝华形成冰晶。北方的冬天一般比较干燥,所以如果外面的温度非常低,屋内的水蒸气碰到低温的窗户会直接凝华,形成好看的冰花。


冬天的雪也是自然界中的水蒸气直接凝华形成的,如果你放大看会发现雪花是一个个漂亮的六边形,这正是水蒸气凝华时自然形成的结构,是低压水蒸气的杰作。


图源:摄图网


如果空气中水蒸气的压力高于0.6kPa,水蒸气在降温时就会形成液滴。如果是在高空中,就是我们常见的云;在低空中,就是我们所说的雾。换句话说,我们呼出的白气和云、雾本质上是同一种东西。


一般早上看到雾,是因为晚上温度较低,如果空气中的水蒸气比较多,就会凝结为雾,太阳出来以后温度慢慢升高,晚上形成的雾也就会慢慢散去,重新蒸发为水蒸气。


图源:摄图网


凝结核的利弊


知道了凝结核的原理,我们可以利用凝结核更快地产生液滴。在云中播撒适当的凝结核或者其他催化剂,可以使云里的液滴更快地变大,从而降落下来,这就是人工降雨。人工降雨的过程其实比较复杂,但是其中很重要的一个因素就是增加凝结核。不过应当注意的是,这种增加凝结核的方式只是加速了云变成雨的过程,如果云本身没有形成雨滴的潜力,那增加再多的凝结核也是徒劳无功。


图源:摄图网


凝结核虽然可以为我们服务,但是无意中产生的凝结核也会给我们带来困扰,汽车尾气、工厂废气等都含有大量的凝结核,会形成我们所说的雾霾。其实,雾和霾是两种东西,雾是空气中的小液滴,包括水以及空气中其他的液体,而霾是空气中的固体颗粒物


通常来说,小的颗粒物在空气中停留的时间更长,更容易被人体吸入。为了治理空气污染,国家制定了各种污染物的标准,比如PM2.5指的是空气中直径小于2.5微米的细颗粒物,相应的PM10指的是空气中直径小于10微米的颗粒物,也就是说PM10包含PM2.5。


图源:摄图网


这些颗粒物都是发展过程中的“副产物”,相比之下,南极呼不出白气正是空气质量优异的结果。


近些年,在有效的治理下,空气质量逐渐改善,相信空气污染只是发展过程中的阵痛。在寒冷的冬天,如果有一天,你呼不出往常一样的白气,那就是污染治理后,大自然给我们最好的反馈!


作者:姜畅,中国科学院物理研究所博士

编辑:小叮当

题目图源:sohu.com


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