論氣體流量和流速及與壓力的關系

歐貞婷　王凌杰　周文娟

摘? 要：由于天氣模式，氣壓的時間變化可能導致空氣侵入地下，這種空氣侵入會影響旨在描述包氣帶中氣體組成和運動特征的檢測活動。給出了由努森擴散、多組分分子擴散和粘滯流動共同作用下的氣體通量計算方法。這些表達是用來模擬存在氣壓變化的氣體輸運。對均勻土壤垂直運動的計算機模擬表明，在一個典型的大氣壓循環中，“新鮮”空氣可以遷移到幾米深的地下，水平壓力梯度可以在近地表非均勻性地質層中形成。在風暴發生時，這些梯度可能導致新鮮空氣侵入包氣帶數米或數十米。本文以土壤的包氣帶中的氣體運動為例討論氣體流量和流速及與壓力的關系。

關鍵詞：氣體流量;流速;壓力

一、相關介紹

包氣帶內氣體的組成和運動是許多地球科學和工程學科感興趣的課題。最近的環境問題集中在揮發性和半揮發性有機化合物在近地表土壤中的氣相運動。放射性核素的氣相運動已被認為是低水平和高水平處置設施中放射性核素運移的重要機制。自然產生的氡氣通過地下的運動，目前正在進行特別嚴格的研究。從人為和自然來源的地下甲烷遷移可能導致潛在的爆炸性條件，可能威脅到公共健康和安全。土壤氣體運動在農業上有著重要的應用，包括水蒸氣和氨氣的運動，除草劑、殺蟲劑和其他用于提高作物產量的化合物。土壤氣體成分已被用作礦產和石油勘探以及地震預測的工具。甚至區域尺度的氣候也在一定程度上受到近地表土壤中水蒸氣和其他氣體的運動的影響。

在地球科學文獻中，影響包氣帶氣體輸送的一個因素是大氣壓力波動對于土壤氣體壓力和土壤氣體組成的影響。研究表明，相對較小的總壓力梯度可以產生比擴散通量大得多的粘性氣體通量。然而，幾乎所有地球物理文獻中報道的關于包氣帶輸運的理論、實驗和研究都忽略了大氣壓力對土壤氣體運動的影響。本文的討論目的是研究大氣流速和流量及與土壤氣體壓力之間的關系，并確定大氣誘導粘性流成為一種重要的輸運機制的必要條件。

本文將描述大氣壓力的典型變化，并提出一些證據，表明土壤氣體的運動可以受到大氣壓力波動的顯著影響。

二、大氣壓力波動影響的證據

在地球表面的任何特定點上的大氣壓力很少在任何相當長的時間內保持恒定。近地表大氣壓的時間波動一般有兩個原因：（1）由熱和重力作用引起的日波動;（2）由區域尺度天氣模式引起的波動。由重力效應引起的晝夜波動類似于海洋的潮汐。平均而言，它們造成了在1000LT和2200LT左右的兩個最大峰值，以及在0400LT和1600LT左右的最小峰值。最大和最小壓力峰值之間的最大差異出現在赤道處，大約等于2.5毫巴，這種差異在60緯度以上幾乎為零。在北緯地區，由日加冷和冷卻循環引起的日波動通常比重力效應更重要。由這些熱效應引起的日波動通常比重力效應更重要，由這些熱效應引起的氣壓波動很少超過3毫巴。

早在1904年，白金漢就描述了大氣壓力波動對于土壤通氣的影響。當前討論的目的是量化這些影響，特別強調不飽和帶內揮發性有機化合物的移動對氣壓波動的響應。

三、氣體輸運

滲流帶中氣體輸運的物理過程是復雜的。擴散流和壓力流對輸運過程都有重要作用。此外，許多土壤的空隙大小如此之大，以至于在大氣壓力下，氣體分子與土壤以及彼此之間發生碰撞。我們可以用毛細血管中的流動作類比，來從概念上理解多孔質中多組分氣體混合物的這些輸運機理的重要性。

如果毛細血管中存在氣體濃度的梯度或分壓，這將導致氣體從高濃度點向低濃度點等壓流動。幾種物理機制可能相互作用阻礙這種擴散流。在稱為克努森擴散的過程中，氣體分子只與毛細血管壁面發生碰撞，彼此之間的行為相互獨立。如果毛細血管中同時存在分壓梯度和總壓梯度，則輸送過程是擴散流和壓力流的結合。當各部件的總壓梯度和分壓梯度在同一方向時，流動方向容易識別。當分壓梯度和總壓梯度方向相反時，氣體的通量較難確定。擴散過程可能使氣體沿一個方向輸送，而壓力流動可能使得氣體沿著相反的方向流動。此外，由于克努森擴散的影響，擴散通量可能是非等摩爾的，在非等摩爾擴散條件下，分壓梯度可引起總壓梯度，分壓梯度可由總壓梯度引起。

因此證明，氣壓可能有顯著的短期影響。如果在大氣壓力波動的情況下進行土壤氣體調查，這些影響可能會影響在土壤氣體調查中收集的數據的可靠性，然而，從長期來看，水汽擴散的影響可能比大氣誘導平流的影響更顯著。

四、總結

從以上的討論中可以得出以下結論：

1.天氣模式的不規則變化對氣壓的時間波動有顯著影響，氣壓在24小時內可能變化20-30毫巴。根據地理位置的不同，這樣類型的波動每年會發生幾次，甚至一個月也會發生幾次;

2.用來模擬飽和地下水系統中溶質運移的經典對流-擴散方程，也可以用來模擬滲流中的氣體運移;

3.氣壓的波動會影響氣體流動的速度和通量，因此影響土壤氣體的測量。并且，當氣壓高時，地下揮發性有機化合物的濃度可能會降低;

4.大氣壓的波動會導致安裝在封閉地面系統中的氣體探頭發生水平輸送。在一個大氣壓循環中，與最大空氣相對應的空氣的“新鮮”最大值可能會遷移到幾米深的地下。并且伴隨著包氣帶中膜的厚度和滲透性的增加，這種遷移會更加明顯;

5大氣壓力的影響取決于許多變量之間復雜的相互作用，包括場地尺寸、材料特性（如滲透性）和大氣壓力波動的振幅和周期;

6.也存在一些局限性。濕度對氣體滲透性、擴散系數和分子擴散系統系數的影響沒有被包括在內。水分或液體產物的存在可能對包氣帶中的氣體輸送有非常重要的影響。

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作者簡介：歐貞婷（1994-），女，漢族，浙江溫州人，助理工程師，學歷：大學本科，研究方向：氣體流量? 單位名稱：浙江省計量科學研究院。2F3DC776-A569-421C-A0E1-582B8AFEF101