大氣湍流的條件：大氣湍流的發生需具備一定的動力學和熱力學條件：其動力學條件是空氣層中具有明顯的風速切變；熱力學條件是空氣層必須具有一定的不穩定度，其中最有利的條件是上層空氣溫度低於下層的對流條件，在風速切變較強時，上層氣溫略高於下層，仍可能存在較弱的大氣湍流。理論研究認為，大氣湍流運動是由各種尺度的渦旋連續分布疊加而成。其中大尺度渦旋的能量來自平均運動的動量和浮力對流的能量；中間尺度的渦旋能量，則保持著從上一級大渦旋往下一級小渦旋傳送能量的關係；在渦旋尺度更小的範圍裏，能量的損耗起到了主要的作用，因而湍流渦旋具有一定的最小尺度。在大氣邊界層內，可觀測分析到最大尺度渦旋約為1千米到數百米；而最小尺度約為1毫米。
10．空氣微團
大氣微團在氣象上的含義是大氣中的一團很小的空氣。它小到這種程度，以致我們必須在氣象科學的意義下把它看作是一個點。它僅有唯一的氣象參量值，例如有唯一的溫度、氣壓值和風速值。而整個大氣是由極其眾多的大氣微團組成的。
在大氣中，我們取一升空氣或說取一克空氣作為一個大氣微團看待完全是恰當的。由於大氣總質量約為1021克。這時我們看到大氣總體是由大約1021個大氣微團組成的。換言之，大氣總體是由極其眾多的大氣微團組成的。這與統計物理中經常研究N個粒子，而N值經常理解為具有阿伏加德羅常數的數量級（1023）是十分相近的。
我們還要指出空氣微團也必須充分大。因為如果把微團取的與空氣分子一樣的大小，那麼溫度、氣壓、風速這些氣象變量就失去了意義。因而微團又必須充分大，它要大到溫度、氣壓等變量有意義，要大到氣體狀態方程可以用到這個空氣微團上（這相當於非平衡統計物理中所謂的滿足局域平衡假設）。
在統計物理中把氣體單分子視為僅有三個分量的動能和它的三個坐標這六個變量就能確定其狀態的粒子。對於空氣微團來說要確定它的狀態僅有六個變量是不夠的。因為它除了確定位置的三個變量、確定運動速度的三個風速分量外，至少還有溫度、氣壓、比濕這三個變量。即對於一個空氣微團而言，它要有9個自由度、這說明對大氣微團的研究要比研究分子運動複雜一些。
空氣微團可以類似統計物理中的粒子那樣從統計角度去分析，這就為引用統計物理方法到氣象領域打開了道路。在分析大氣的比濕分布律和風速分布律時我們就是把空氣微團作為統計物理上的基本粒子看待，並找出有關的理論和實際分布律的。
11．姆潘巴現象
姆潘巴現象（Mupainmubar effect），又名姆佩姆巴效應，指在同等體積、同等質量和同等冷卻環境下，溫度略高的液體比溫度略低的液體先結冰的現象。
亞裏士多德、培根和笛卡爾均曾以不同的方式描述過該現象，但是均未能引起廣泛的注意。1963年，坦桑尼亞的馬幹巴中學三年級的學生姆潘巴經常與同學們一起做冰淇淋吃。在做的過程中，他們總是先把生牛奶煮沸，加入糖，等冷卻後倒入冰格中，再放進冰箱冷凍。有一天，當姆潘巴做冰淇淋時，冰箱冷凍室內放冰格的空位已經所剩無幾。為了搶占剩下的冰箱空位，姆潘巴隻得急急忙忙把牛奶煮沸，放入糖，等不及冷卻，就把滾燙的牛奶倒入冰格中，並送入冰箱。一個半小時後，姆潘巴發現了一個讓他十分困惑的現象：他放入的熱牛奶已經結成冰，而其他同學放的冷牛奶還是很稠的液體。照理說，水溫越低，結冰的速度越快，而牛奶中含有大量的水，應該是冷牛奶比熱牛奶結冰速度快才對，但事實怎麼會顛倒過來了？姆潘巴把這個疑惑從初中帶到了高中。他先後請教了幾個物理老師，都沒有得到答案。一位老師感覺他提出的問題怪異得近乎荒唐，就用嘲諷的口吻說：你說的這些就叫做姆潘巴現象吧！但執著的姆潘巴並沒有認為自己的問題很荒唐，他抓住達累斯薩拉姆大學物理係係主任奧斯波恩博士到他們學校訪問的機會，又提出了自己的疑問。這位博士並沒有對他的問題嗤之以鼻。回到實驗室後，博士按照姆潘巴的陳述做了冷熱牛奶實驗和冷熱水物理實驗，結果都觀察到了姆潘巴所描述的顛覆常識的怪現象。於是，他邀請姆潘巴和他一起對這個現象進行了深入研究。1969年，他和丹尼斯·奧斯伯恩博士（Denis G. Osborne）共同撰寫了關於此現象的一篇論文，因此該現象便以其名字命名。
“姆潘巴現象”真的能顛覆我們以往關於水結冰的常識嗎？四十多年來，許多論文與實驗試圖證實這個現象背後的原理，但由於缺乏科學實驗數據以及定量分析，至今沒有定論。
難以解釋的現象
最先肯定“姆潘巴現象”存在的那位博士在對其進行細致研究過程中發現，當把熱水放入電冰箱冷卻的最初時刻，熱水水體的上表麵與底部不存在溫度差，但一經急劇冷卻，溫度差就立即出現，其中初溫為70℃的熱水內產生的高低溫度差接近14℃，而初溫為47℃的熱水內產生的高低溫度差隻有10℃。這說明在凍結前的降溫過程中，較熱的液體的溫度差在一段時間裏大於相對較冷的液體的溫度差。但為什麼溫差大的水要先凍結呢？這隻能有一種解釋比較合理，那就是水體上表麵的溫度愈高，從上表麵散發的熱量就愈多，因而降溫就愈快，凍結也就愈快。這便是熱牛奶比冷牛奶先結冰的秘密。
但後來其他研究人員的實驗和上麵的實驗結果就不大相同了。有研究人員用純淨水反複做了類似實驗，結果始終沒有發現“姆潘巴現象”。還有對此感興趣的研究者通過實驗證實，隻有當冰箱內有顯著溫差、或牛奶含糖量不同、或糖沒有溶解、或做冰淇淋的液體中含有較多澱粉等非液體成分時，“姆潘巴現象”才會出現。這就是說“姆潘巴現象”是個別現象，其所包含的物理現象並不能否定我們的常識。
硬物作怪
美國華盛頓大學的喬納森·卡茨通過對姆潘巴現象的深人研究，捉到了隱藏其中的鬼怪。他證實，這種現象不但真實存在，而且造成這種現象發生的鬼怪也是真實存在的。不過，這其中的鬼怪隻是隱藏在水裏麵的一些尋常"硬物"。
在破解姆潘巴現象的過程中，卡茨把目光盯在了水上。我們知道，水在加熱過程中，一些隱藏在水裏的易溶硬物——碳酸鈣和碳酸鏡等碳酸鹽會被驅逐出去，形成沉澱物。我們日常生活中常見的附在水壺內壁上的水垢，就是它們被驅出去的證據。而水在達到沸點以後，就會因硬物被絕大部分清除而軟化。卡茨發現，同樣是冷凍結冰，未經加熱的硬水在結冰過程中，由於其內部硬物作祟，使得硬水的冰點要比被加熱後的軟水冰點低一些，這就減緩了硬水結冰的速度。這一原理就如同下雪後向路麵撒鹽會防止結冰一樣，鹽的混入，會使雪的冰點降低，這樣，雪結冰的過程就拉長了。
但僅憑這個發現還不能直接破解姆潘巴現象，因為姆潘巴的同學們在做冰棋淋的過程 中，都先把生牛奶煮熟了。那為 什麼姆潘巴的熱牛奶會先凍結呢?
卡茨發現，原因還是出在水裏的硬物上:為了吃到可口的冰漠淋，他們都在牛奶裏加了糖，而糖實際上會使牛奶液體變硬。但同樣是煮熟、加糖的牛奶，熱牛奶液體的硬度實際要比冷牛奶的硬度要低一點，這個硬度的差異造成了它們冰點的差異，硬度較高的冷牛奶冰點相對要低些。這樣，冰點略高的熱牛奶自然要比冰點略低的冷牛奶要先結冰了。
當然，還有另外一個原因能夠降低低溫水的結冰速度，因為實驗證明 ， 熱量從水中流失的速度取決於溫差，就是說在同樣的低溫環境裏，溫度相對較高的水比溫度相對較低的水散熱速度要快一些。換成牛奶，道理也是一樣。
那麼為什麼在眾多實驗中，姆潘巴現象不會每次都出現·卡茨認為，原因就在於試驗者一開始用的就是軟水。用同樣的軟水來做冷熱實驗，由於水的冰點都一樣，而且散熱速度的快慢對結冰速度的影響很微弱，所以姆潘巴現象就不那麼顯而易見了。
有科學家指出，卡茨的發現很可能不是姆潘巴現象的終極答案，但和目前現有的各種答案相比，這個答案還是最有說服力的。
擺脫常識束縛
現在看來，姆潘巴現象作為一個結冰特例 並沒有顛覆我們以往的有關常識，但它畢竟對我們的常識進行了一次激烈挑戰，豐富了我們對水的認識。
如果我們被常識束縛，硬把這個怪異現象當做荒唐現象來看待，那麼我們就不會對水在特殊條件下的結冰特點有新發現。相反，如果我們在尊重常識的同時，還善於擺脫常識的柬縛，我們才會有新發現。
還是以水為例，美國研究人員發現，用水分子可以做成水膜，這種水膜像蠟那樣能 起到防水作用。他們在鈾的表麵鋪上一層水膜，結果發現新潑上去的水就像雨點在打蠟的汽車上的表現一樣，很快被水膜趕走了。
還有，作為常識，人們都知道，水的冰點是0℃。但韓國一個科研小組發現，水在20℃時也可以凝結成冰。這些研究人員在使用掃描隧道顯微鏡觀察電子如何穿過一層水膜，到達水膜下的電極的過程中，獲得了這個意外發現。在觀察過程中，他們通過 檢測儀器顯示的異常數據得知，掃描隧道顯微鏡的帶電金屬尖端在水膜中上下震動時遭到阻礙。之所以會這樣，原因是下降中的金屬尖端下方的水分子瞬間凝固，形成了對尖端的阻礙。後來 經過反複實驗證實，隨著掃描隧道顯微鏡的帶電金屬尖端不斷下降，
它與水膜下麵電極的距離也就越近，而兩者越近，兩者之間 形成的電場就越強。當達到大概2個水分子距離的時候，在強電場作用下，水轉化為固體形態。
如果研究人員固守隻有降溫才能把水變成固體的常識，他們就很難獲得這個重大發現。
此外，以往我們認為水分子形象是互相手拉手像金字塔那樣的四麵體，而科學家最近對水分子的研究表明，它們的形象並非是單一的四麵體，而是多種多樣的。研究還發現，水還能凍結成13種典型的結晶體。
僅僅是司空見慣的水，就有如此多怪異的特性 ， 自然界中一定有無數的怪異現象，挑戰著我們的常識。
姆潘巴現象產生的原因：
1.冰箱溫度並不均勻，如果姆潘巴將其冰盒正巧放在冷卻管附近，甚至與冷卻管相接觸，完全有可能熱牛奶比冷牛奶先結冰；
2.如果姆潘巴不喜歡吃甜，在冰淇淋中少放了糖，或者因為匆忙沒來得及攪拌、糖粒沉在盒底形成固體，實驗證明可先結冰；
3.姆潘巴自製的冰淇淋中不僅牛奶加糖，還加入了澱粉類物質，在其少放糖、少放牛奶時會先結冰。
4.擺放的位置靠近冰箱導熱管。
12．灰霾
灰霾
灰霾又稱大氣棕色雲，在中國氣象局的《地麵氣象觀測規範》中，灰霾天氣被這樣定義：“大量極細微的幹塵粒等均勻地浮遊在空中，使水平能見度小於10千米的空氣普遍有混濁現象，使遠處光亮物微帶黃、紅色，使黑暗物微帶藍色。”目前，在我國的部分區域存在著4個灰霾嚴重地區：黃淮海地區、長江河穀、四川盆地和珠江三角洲。
霧和灰霾的區別：霧是氣溶膠係統，是由大量懸浮在近地麵空氣中的微小水滴或冰晶組成的、能見度降低到1千米以內的自然現象
一般來講，霧和霾的區別主要在於水分含量的大小：水分含量達到90%以上的叫霧，水分含量低於80%的叫霾。80%～90%之間的，是霧和霾的混合物，但主要成分是霾。就能見度來區分：如果目標物的水平能見度降低到1千米以內，就是霧；水平能見度在1千米～10千米的，稱為輕霧或靄；水平能見度小於10千米，且是灰塵顆粒造成的，就是霾或灰霾。另外，霾和霧還有一些肉眼看得見的“不一樣”：霧的厚度隻有幾十米至200米，霸則有1千米～3千米；霧的顏色是乳白色、青白色，霾則是黃色、橙灰色；霧的邊界很清晰，過了“霧區”可能就是晴空萬裏，但是霾則與周圍環境邊界不明顯。
灰霾的成因：灰霾作為一種自然現象，其形成有三方麵因素。一是水平方向靜風現象的增多。近年來隨著城市建設的迅速發展，大樓越建越高，增大了地麵摩擦係數，使風流經城區時明顯減弱。靜風現象增多，不利於大氣汙染物向城區外圍擴展稀釋，並容易在城區內積累高濃度汙染。二是垂直方向的逆溫現象。逆溫層好比一個鍋蓋覆蓋在城市上空，使城市上空出現了高空比低空氣溫更高的逆溫現象。汙染物在正常氣候條件下，從氣溫高的低空向氣溫低的高空擴散，逐漸循環排放到大氣中。但是逆溫現象下，低空的氣溫反而更低，導致汙染物的停留，不能及時排放出去。三是懸浮顆粒物的增加。近些年來隨著工業的發展，機動車輛的增多，汙染物排放和城市懸浮物大量增加，直接導致了能見度降低，使得整個城市看起來灰蒙蒙一片。
灰霾的危害：
一是影響身體健康。灰霾的組成成分非常複雜，包括數百種大氣顆粒物。其中有害人類健康的主要是直徑小於10微米的氣溶膠粒子，如礦物顆粒物、海鹽、硫酸鹽、硝酸鹽、有機氣溶膠粒子等，它能直接進入並粘附在人體上下呼吸道和肺葉中。由於灰霾中的大氣氣溶膠大部分均可被人體呼吸道吸入，尤其是亞微米粒子會分別沉積於上、下呼吸道和肺泡中，引起鼻炎、支氣管炎等病症，長期處於這種環境還會誘發肺癌。此外，由於太陽中的紫外線是人體合成維生素D的惟一途徑，紫外線輻射的減弱直接導致小兒佝僂病高發。另外，紫外線是自然界殺滅大氣微生物如細菌、病毒等的主要武器，灰霾天氣導致近地層紫外線的減弱，易使空氣中的傳染性病菌的活性增強，傳染病增多。
二是影響心理健康。灰霆天氣容易讓人產生悲觀情緒，如不及時調節，很容易失控。
三是影響交通安全。出現灰霾天氣時，室外能見度低，汙染持續，交通阻塞，事故頻發。
四是影響區域氣候。使區域極端氣候事件頻繁，氣象災害連連。更令人擔憂的是，灰霾還加快了城市遭受光化學煙霧汙染的提前到來。光化學煙霧是一種淡藍色的煙霧，汽車尾氣和工廠廢氣裏含大量氮氧化物和碳氫化合物，這些氣體在陽光和紫外線作用下，會發生光化學反應，產生光化學煙霧。它的主要成分是一係列氧化劑，如臭氧、醛類、酮等，毒性很大，對人體有強烈的刺激作用，嚴重時會使人出現呼吸困難、視力衰退、手足抽搐等現象。
如何應對灰霾：首先，應建立灰霾指數預報和灰霾天氣的預警機製。在城市設立地基光學觀測點，與衛星遙感資料相匹配，開展氣溶膠光學厚度的監測；同時在城市周邊地區布設水平能見度觀測站和垂直能見度觀測站，開展水平能見度和垂直能見度的觀測並直接進行灰霾天氣公眾服務；開展大氣邊界層探測，定時掌握逆溫等邊界層特征與灰霾天氣的關係，認識工業化、城市化對大氣邊界層結構的影響，提高灰霾天氣預測的準確性，提高監測、預防灰霾天氣的能力；加強對太陽輻射的監測，評估大氣灰霾對農業生產和氣候變化的影響等。建立灰霾天氣預測預報係統與建立動態控製排汙係統、控製汙染源排放的決策係統結合起來，才能有效地對付灰霾。從現在掌握的情況來看，城市化和工業化是灰霾產生的主要因素，而灰霾天氣出現的一個氣象特征是其區域有一個氣流停滯區。國外有些發達國家利用不同氣象條件對社會生產進行動態調控的方法來盡量解決灰霾的危害，其實質是對汙染源進行總量調節。如在美國，一旦監測到某區域有氣流停滯區時，該地區的工業氣體排放都將受到控製，而當大氣條件好、空氣擴散能力強時，則可充分排放。其次，應采取嚴厲措施限製機動車尾氣排放和工業氣體排放，以消除或減輕灰霾對城市的危害。同時城市群之間應統籌考慮灰霾的防治工作。作為地區性的氣候災害現象，治理時也要地區聯手，才能達到最佳的治理效果。最後，在城市規劃中，要注意研究城區上升氣流到郊區下沉的距離，將汙染嚴重的工業企業布局在下沉距離之外，避免這些工廠排出的汙染物從近地麵流向城區；還應將衛星城建在城市熱島環流之外，以避免相互汙染。要充分考慮大氣的擴散條件，預留空氣通道。增加城市綠地，讓城市綠地發揮吸煙除塵、過濾空氣及美化環境等環境效益，從而淨化城市大氣，改善城市大氣質量。在這種灰霾天氣下鍛煉身體就要有講究了：灰霾天氣易對人體呼吸循環係統造成刺激，尤其是在早晨人體的血濃度較高，身體舒展機能較差，此時進行鍛煉容易扭傷身體及誘發心梗、肺心病等。通常來說，不受冷空氣、台風、鋒麵、切變線等特別天氣係統影響，一天當中以傍晚17時～19時的空氣質量為最好，能見度也最高，因此每天鍛煉身體的時間應定為傍晚17～19時。此外，灰霾天氣時應適度減少運動量與運動強度，，樹多草多的地方是較好的選擇。一般來說，能見度少於10公裏的就屬於灰霾現象，5至8公裏屬於中度灰霾現象，3至5公裏屬於重度灰霾現象，少於3公裏則是嚴重的灰霾現象。
灰霾天注意：有關醫學專家提醒市民，灰霾天氣會影響身體健康，應多飲湯水，有晨運習慣的市民最好暫停晨練，或選擇在下午和黃昏時分做戶外鍛煉。
在下班後或在節假日，可多抽時間到空氣較為清新的戶外去散步和鍛煉；多喝水，保持呼吸道有一定的濕潤度。此外，幹燥天氣使病菌容易聚集，因此還要保持房間通風；煲湯也是“抗旱”的法寶。可以用百合、龜、魚等材料，煲一些滋陰潤肺的湯來飲用。