风力作用的动力学过程

如题所述

风力作用的动力学过程一般可划分为四个阶段,即地表物质的破坏与分离,颗粒起动,颗粒输送和颗粒沉积。

(一)地表物质的破坏与分离

在同等风速条件下,地表颗粒越细小、越松散和干燥,风蚀的强度越高。因此,地表存在大量的可蚀性颗粒是风力侵蚀发生的物质基础。这些结构松散的可蚀性颗粒,可能来自未固结或熟化成壤的风积物、残积物、坡积物、洪积物、冲积物或湖泊沉积物等母质,也可能是土壤。由于快速运动气流形成的风会对地表施加冲击力,当风速达到一定程度时,地表覆盖的可蚀性颗粒就会与母体分离,呈分散状,或当风挟带沙粒贴地面运行时,沙粒会对地表物质进行冲击、摩擦,甚至钻进地表裂隙或凹进处进行旋磨,破坏土壤、母质和基岩的结构,产生尺寸较小的颗粒。

(二)颗粒起动

颗粒起动是指可蚀性颗粒在风力作用下脱离地表的过程,它是风沙流形成的基础。在风力侵蚀过程中,颗粒的起动形式有两种:①流体起动,即完全由气流运动使可蚀性颗粒运动;②撞击起动,即来自上风方向风沙流中的跃迁粒子的撞击作用使土壤颗粒运动。

风洞试验表明,风沙流的撞击起动风速一般是流体起动风速的80%,即风沙流更容易使沙粒起动。起动风速的大小与颗粒的粒径大小、湿度状况及地面粗糙度等有关。一般来说,颗粒愈大,含水量越高,地面越粗糙,植被覆盖度越大,要求的起动风速也愈大。

(三)颗粒搬运

可蚀性颗粒在风力作用下脱离地表起动后,将通过悬移、跃迁和推移三种运动形式进行输运。“悬移”是指极细微的颗粒(直径一般小于0.1mm)呈悬浮状态随气流运动,沙尘暴就是大量悬浮颗粒的远距离移动;“跃迁”是指中等大小颗粒(粒径通常为0.05~0.5mm)在地面上的连续跳跃,它们很容易升离地面,但不能呈悬浮状,其跳跃高度一般小于1m;“推移”则是指大型颗粒(粒径一般在1~2mm以上)在气流或其他颗粒推动下,沿地表的滚动或滑动。在风力强度一定时,颗粒具体以何种形式运动,主要取决于其自身的密度、体积和形状。

当地面风速大于起动风速时,部分较大颗粒在气流推动下沿地表推移,而细微颗粒和中等大小颗粒则脱离地面,垂直地或几乎垂直地升入空中,同时凭借风力作横向加速运动。其中的细微颗粒呈悬浮状态进行悬移,但中等大小的颗粒因重力作用不能保持悬浮状态,在达到某个高度后便逐渐下降并返回地面,形成跃迁砂粒。跃迁砂粒在重新返回地面过程中,若风力不足或陷落在某些地表的凹坑结构内,便会中止其运动。但大多数跃迁砂粒可能冲入地表颗粒床内,并重新分配它们在跃迁加速运动过程中从气流中获得的能量:一部分通过撞击作用传递给其他静止颗粒,使其发生扰动(撞击砂粒可以使比自身大6倍的颗粒开始移动)或者升离地面形成悬移或跃迁;一部分能量用于土壤团粒的破裂磨蚀,使难蚀性物质变为可蚀性颗粒,从而增加了可蚀性物质的供给量。在跃迁砂粒的这种“串激效应”作用下,只要风蚀从某个孤立点开始发生,它便在顺风方向上迅速发展、扩大,很难制止,形成所谓的“沙崩”现象。

一般而言,在每次风蚀现象中,这三种运动形式往往是同时发生的,而且其中的跃迁是最主要的模式。据研究,以跃迁方式运动的颗粒占风力搬运颗粒总数的55%~75%,而悬浮运动的只占3%~38%,推移的只占7%~25%。

(四)颗粒沉积

颗粒沉积是指风力搬运的颗粒重新返回并停留在地表的现象。颗粒能否沉积取决于风力衰减程度、土壤颗粒或团聚体的粒径和重量、地表状况等。

跃迁和推移砂粒的规模,受地面粗糙度和近地表风场的影响。在地表粗糙度较高的局部地区,气流在运行时会受到阻滞而发生涡旋减速,从而削弱其载荷能力,在障碍物附近产生大量的风沙堆积,戈壁区灌丛的背风面常形成的小型沙丘,就是这种附着沉积的典型结果。沙漠的形成往往与突兀而起的山地丘陵阻挡风流,导致风场衰减所致。风洞试验表明,气流在沙丘迎风坡加速1.3~2倍,风的侵蚀能力和载荷能力增大,导致迎风坡以侵蚀作用为主;在沙丘背风坡因地形作用产生涡流和风速减弱,使得大量颗粒沉积于背风坡。

以悬移形式作长距离运动的细颗粒对气流的跟随性好,一般只在以下四种情况下才发生沉降:

(1)当天气过程发生变化或地表粗糙度改变使局部风力减弱,导致风速和紊流减小到某一阈值时,颗粒在重力作用下产生沉降。

(2)颗粒与粗糙的、湿性的或带电荷的地表接触而被“截留”,植被作为常见的地表粗糙物,对悬移粒子的沉降起重要作用。

(3)降水把颗粒从大气悬浮状态中淋洗下来。高空的悬移粒子是十分理想的水汽凝结核,有利于降水的形成,这也是在风沙天气后经常紧接着发生降水的原因。在降水过程中,大气中的悬移粒子与雨滴、冰雹或雪花一起降落到地面,整个大气就像被水冲洗过一样,悬浮在对流层的颗粒几乎全部发生沉降,形成所谓的“泥雨”。

(4)颗粒变成集合体自重增加,从而沉降到地面。当携带悬移粒子的气流经过潮湿洼地和水域上空时,局部小气候造成空气湿度增加,干燥的颗粒表面容易吸附部分水汽,使颗粒之间相互结合的可能性增大,沉降概率增加。这正是沙漠、戈壁或其下风向的潮湿洼地和水域中经常发现大量细颗粒物质堆积的原因。有些研究还发现悬移粒子在运动过程中会产生电荷,形成带电集合体从而沉降到地面。

我国黄土高原的风成黄土则是上述各种作用下粉质颗粒沉降的结果。

温馨提示:答案为网友推荐,仅供参考
相似回答