塵埃里有多少秘密

空氣中干燥的粉塵達到一定濃度，并與氧氣充分混合后，就會大大改變這些粉塵物質(zhì)原有的物理化學性質(zhì)，原本不燃性的物質(zhì)變成可燃性的物質(zhì)，原本難燃性的物質(zhì)變成了易燃性的物質(zhì)。

從爆炸元兇到超級炸彈

在20世紀初，西方國家的工業(yè)化如火如荼，蓬勃發(fā)展的過程中也產(chǎn)生了各種讓人類一時無法弄清原由的工業(yè)事故。其中最讓人們疑惑不解的事情是，很多面粉加工廠、鋸木場等常常發(fā)生爆炸事件，損失慘重。即使警方介入調(diào)查，卻最終一籌莫展，找不到任何元兇。在排除了人為破壞因素后，警方懷疑是某種自然過程在起作用，他們開始請化學家和物理學家介入調(diào)查。最后發(fā)現(xiàn)，這些加工廠爆炸時都有一個共同的特點，就是空氣流通性極差，室內(nèi)干燥高溫，空氣中飛揚著濃度很高的面粉粒、木屑等微細粉塵。

這是不是就是爆炸的原因呢?科學家經(jīng)多次試驗發(fā)現(xiàn)，空氣中干燥的粉塵達到一定濃度，并與氧氣充分混合后，就會大大改變這些粉塵物質(zhì)原有的物理化學性質(zhì)，原本不燃性的物質(zhì)變成可燃性的物質(zhì)，原本難燃性的物質(zhì)變成了易燃性的物質(zhì)。這時候，溫度一旦合適，就會發(fā)生劇烈燃燒。而在很小空間內(nèi)急劇的燃燒，最終導致了能量的瞬間釋放，從而引起了大爆炸。

自從有了這個發(fā)現(xiàn)，以后的各種工廠和貨物存儲場所都開始特別注意通風，現(xiàn)在，由粉塵導致的大爆炸事故比20世紀初已經(jīng)少了很多了。對粉塵的研究，不但使人們有效地規(guī)避了巨大的災難，而且發(fā)展出了全新的軍事技術理論——云爆彈技術。

云爆彈，通俗地說就是燃料空氣炸彈。這種武器的成功研制得益于科學家們對粉塵概念的進一步延伸。在一般人心目中，塵埃多半是像沙粒般的固體粒子。其實液態(tài)的油滴、水滴，或外表為液體包裹著的固體粒子都具有一般塵埃具有的物理性質(zhì)。只要它們的大小能夠被上升的氣流所支撐，便可以長久地懸浮在空氣中。所有這些懸浮于空氣中的粒子稱為氣溶膠粒子或大氣懸浮粒子，或簡稱“浮粒”。

科學家們就是利用細小的液滴塵埃效應來制造全新的炸彈武器的。在燃料空氣炸彈的彈室里面，填裝的不是普通炸彈所用的TNT炸藥，也不是我們常見的黑火藥固體粉末，而是一些易燃易揮發(fā)的高能液體化學物質(zhì)。當這些液體燃料彈丸發(fā)射或投擲到目標上空后，首先使容器炸開，液體燃料迅速釋放出來，與周圍空氣混合形成一定濃度的氣溶膠云霧。再經(jīng)第二次引爆，這些氣溶膠云霧立即發(fā)生劇烈氧化燃燒，產(chǎn)生2500℃左右的高溫火球，這時的情形就像面粉廠發(fā)生的爆炸事故一樣。燃料空氣炸彈爆炸產(chǎn)生的高溫持續(xù)時間比常規(guī)炸藥高5～8倍。它還會迅速將周圍的氧氣耗盡，造成局部嚴重缺氧，同時產(chǎn)生大量的二氧化碳和一氧化碳等各種有毒氣體，使人們因窒息中毒而死亡。

但是，正如通風良好的工廠里面不容易發(fā)生粉塵爆炸一樣，在空氣擾動厲害的暴風雨氣象環(huán)境中，燃料空氣炸彈就會不容易劇烈爆炸，失去威力。

桀驁不馴的大粒子

氣溶膠粒子在我們的生活中尋常可見，它們的大小千差萬別，性情自然也各有千秋。大風起時，原本靜靜躺在地上的沙粒，此時在漫天風沙中就成了浮粒，但它們的顆粒相當大，在1毫米上下，用肉眼便可以清楚地分辨出來。這樣大的粒子很難在空氣中長久停留，只要風力稍弱，它們便紛紛塵埃落定，這樣的浮塵沒有多少故事可以講述。真正能在空氣中長久懸浮的粒子要比1毫米小得多，通常都在10微米以下。

而氣溶膠粒子的主要成員其實都在1微米以下，它們被稱為次微米浮粒。這些次微米浮粒已經(jīng)小到肉眼不能直接分辨，通常須用顯微鏡，甚至電子顯微鏡才能看見它們。只有當它們在空氣中非常密集時，在強光的照射下才能讓我們的肉眼看到它們“似煙似霧”的蹤影。科學家們發(fā)現(xiàn)，這些半徑在0．1～1微米的氣溶膠粒子似乎是浮粒家族中最為頑固的分子。

德國大氣化學家雍耶以微米級為中心，把大氣中的氣溶膠粒子按其大小分為三類：艾特肯粒子，半徑小于0．1微米的浮粒；大粒子，半徑在0．1～1微米的浮粒；巨粒子，半徑大于1微米的浮粒。這種分類法唯獨把“大粒子”的尺度界定得最清楚，似乎它們的地位在所有浮粒中最為突出。這是有道理的。

道理之一是，粒子的大小和它們能否在人體內(nèi)停留有很大的關系。我們使用的口罩防護工具，以及我們的鼻腔過濾系統(tǒng)，都只能對較大的巨粒子起作用；而大粒子及艾特肯粒子由于顆粒很小，可以輕易地溜過鼻毛黏液的阻攔過濾而進入肺內(nèi)。眾所周知，人類肺臟中有數(shù)不清的彎曲而細小的支氣管通道。這些原本為了迅速吸收氧氣而“設計”的通道，對于浮塵微粒來說卻是“迷宮”一般。艾特肯粒子由于體型太微小，它們倒很容易在進入肺內(nèi)通道后又隨著呼氣過程被排出體外。但是對“大粒子”而言，想要重新從小通道中“全身而退”就沒有那么簡單了。結果，大量的大粒子全被卡在通道中，有進無出，阻礙了這些小支氣管的暢通。如果大粒子本身是有毒性的物質(zhì)，后果更不堪設想。

另一個被稱為大粒子問題的現(xiàn)象是氣溶膠的老化現(xiàn)象。氣溶膠剛剛形成的時候，其中浮粒的大小參差不齊，不但有許多艾特肯粒子，也有許多大粒子及巨粒子。但是奇怪的是，如讓這團新生的氣溶膠懸浮幾天之后，無論它原來里面有多少種浮粒，最后都會“老化”成一種半徑靠近0．1微米的大粒子。這是什么道理呢?原來這和氣溶膠的“動力特性”有關，這也是雍耶的另一發(fā)現(xiàn)。浮粒在氣溶膠中會因遭受空氣分子不間歇的撞擊而產(chǎn)生隨機運動，這就是人們熟悉的布朗運動(1827年，英國植物學家布朗把花粉懸浮在水里，用顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)花粉的小顆粒在做不停的、無秩序的運動，這種現(xiàn)象叫做布朗運動)。兩個小粒子撞在一塊，如果“良緣天定”，就會合并成一個較大的粒子。這樣一來當然使半徑較小的粒子越來越多地合并成了較大的粒子。這種因布朗運動相撞而合并的情形以艾特肯粒子最為迅速，因為它們個子小，所以布朗運動劇烈，碰撞的機會多，容易合并。于是乎，一團新鮮的氣溶膠在過了幾天之后，艾特肯粒子大都紛紛合并成為大粒子。而巨粒子呢?由于它們的體型較大，布朗運動的效應太弱，有許多大塊頭在幾天之內(nèi)便掉落地面，不再是氣溶膠的一分子了。而那些處于中間大小的“大粒子”既無太迅速的布朗運動效應，又不會像巨粒子那么容易掉落，因此過了幾天之后，這些大粒子們還是大致保持原樣，懸浮在空氣中。

在各種災害性的浮塵事件中，其實主要都是大粒子在起作用，它們是最桀驁難馴的角色。

參與全球性毀滅的幫兇

這些在空氣中漂浮的塵埃浮粒并不只是無所事事地掛在天空中漫游，它們的存在對于大氣的物理及化學過程有相當大的影響，并常常在全球氣象災害中扮演重要角色。

首先，如果空氣中有大量的浮粒，能見度馬上降低，整個地區(qū)會被一層煙霧似的浮粒所遮蓋，從而使景物的輪廓顯得模糊不清。氣象學上的“霾”便是這種浮粒產(chǎn)生的效果。在工業(yè)尚未發(fā)達的過去，霾的發(fā)生多半只和天氣過程有關，也不十分尋常。但是在工廠遍地的今天，人工過程便會產(chǎn)生大量的浮粒，結果是在大都市地區(qū)通常都有大量浮粒，不只能見度降低，連市容(尤其從上空看下去)也倍覺丑陋。

但最可怕的是，它們會嚴重干擾太陽光到達地球的過程。由于大粒子浮粒的大小尺度接近可見光的波長(0．4～0．7微米)，它們會非常有效地散射可見太陽光。而太陽的可見光是太陽輻射中能量最集中的波段，也幾乎是地球上氣候變化過程以及各種生物生命活動中唯一的總能源。如果大量大粒子微粒懸浮在大氣中的話，太陽可見光會被嚴重散射回太空中，我們的地球就會“吃不飽”能量，最終導致氣候轉(zhuǎn)冷，嚴重影響生物的生存。

小粒子滅絕大生物的故事并非聳人聽聞，在我們的地球上已經(jīng)上演過。不可一世的侏羅紀恐龍為何會滅絕?目前有一種說法，認為地球表面遭受到巨大的彗星或隕石的撞擊，以致?lián)P起遍布四海的巨大塵云。這些塵云就是浮粒，它們千年不散，就是因為形成了由大粒子組成的“老化”的氣溶膠。它們散射陽光，使地球進入陰霾遍布、酷寒難消、五谷不生的冬季境況，恐龍們連同大量草食動物最后只有餓死滅絕。

此外，人們對核戰(zhàn)爭的擔憂，其中一個主要原因就是核爆炸給全球帶來的氣象災難。在20世紀80年代，美國及前蘇聯(lián)各貯有可以互相毀滅對方好幾次的核子彈頭。科學家推算，如果所有核彈爆炸，所揚起的塵云，也不下于使恐龍滅絕的大彗星撞擊地球的效果，所以也會造成“核子冬天”的寒冷氣候。

云是降雨的前提條件，但是浮粒卻常常使干旱地區(qū)的降雨成為泡影。我們知道，首先必須有浮粒存在，作為凝結核來形成水滴，或者作為冰核來形成冰晶，從而形成了水汽凝結的美麗的白云。也就是說，要是大氣中沒有浮粒，白云則無從存在。然而當前地球上空大氣的問題卻是因為人類肆意燃燒各種化石燃料和焚燒木材，使煙塵浮粒太多。當浮粒形成的凝結核與冰核太多時，也就會形成更多的小水滴及冰晶，結果在水汽量一定的情況下，這些小水滴及冰晶由于沒有足夠多的水分而長不大，重量太輕而降不下來，結果是“密云不雨”，望云興嘆，造成大地干旱。

（選自《科學之謎》）