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神奇的露水

来源:中国气象报社   发布时间:2014年12月01日15:45
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  图文类三等奖:神奇的露水

  本文从露水的定义、露水资源、露水的生态意义、露水的收集和开发露水资源的新技术等万面作了系统的介绍。引导读者科学认识露水、收集和开发利用露水。

  神奇的露水

  作  者:张 强 责任编辑:赵菲

  随着全球气候变暖不断加剧和人口迅速增长,水资源短缺已成为全球面临的共同挑战。就当前形势而言,仅仅依靠自然降水已很难满足人类生存和发展的需要。干旱灾害正在呈现出常态化和全球蔓延化的新特点,人类抗旱防灾的形势十分严峻。

  为应对全球干旱化加剧的严重挑战,近年来人们对水资源的开发利用逐步走上了多措并举之路,水利建设、人工增雨、保墒和雨水集流等措施已经在开发利用地表水、云水、土壤水等的过程中得到广泛应用。作为地球上另一重要而珍贵的水资源,人们对露水的科学认识却明显不足,对其开发利用也一直没有得到充分重视。

  露水是什么

  人类对露水的描述和认识由来已久。早在19世纪初,威尔斯就对露水形成进行了科学阐述。20世纪60年代,世界气象组织对露水给出了一个正式定义:露水是指水汽通过辐射冷却降温至干净空气的露点以下而在某一表面形成的凝结物。我国学者综合以往研究对露水所作的比较全面的定义为:露水是指在天气晴朗、无风或微风的夜晚,贴近地面的空气受地面长波辐射冷却的影响而降温到露点以下,所含水汽的过饱和部分在地面或地物表面上凝结而成的水珠。

  自然界的露水只有在合适的条件下才能形成。一般,在晴天情况下露水比较容易形成。从时间上讲,露水多出现在夜间或清晨,并且在春秋季节出现频率更高一些。

  露水资源知多少

  我们的祖先很早就有利用露水的传统,在深山中修心养性的道士和隐士们,常常采集自然界的露水作为生活饮用水,这也成为他们长寿的秘诀。在干旱半干旱区,如果大气水汽条件合适,地表热力条件一般更有利于露水的形成,露水有时能够达到自然降水量的水平,在某些极端干旱地区它甚至是生态植被的唯一液态水分来源。据估算:在年平均降水量为100毫米多的甘肃民勤地区,其露水量可达到100~200毫米。同时,最近观测试验还证实:干旱地区日平均露水量可以达到0.1毫米以上的量级;如果选择了很理想的局地气候和地理环境条件,露水最大的时候每日可达0.5毫米以上,甚至超过1毫米。由此可见,自然界的露水资源不仅比较丰富,而且开发利用潜力也比较巨大。

  在国际上,法国、秘鲁、以色列和德国等国家一直在发展露水资源开发利用技术,在加勒比海地区,露水已经作为饮用水源在生产生活中被广泛收集利用。相对而言,我国对露水资源的开发利用只有很少一些尝试性的试验工作,丰富的降露水资源一直在白白流失。

  特殊的生态意义

  与自然降水相比,露水具有非常独特的生态和气候效应。首先,叶面露水可以直接被叶片吸收,能够有效降低植被内部水分的亏缺,它往往要比植物从根部吸收的水分能更加及时地供植物生理所需。其次,露水的形成一般要比降水更均匀,能够被土壤或植被叶面更加充分吸收,不会形成流失或过度浸泡等水资源浪费或水害。第三,露水更易于被植物根系吸收,其吸收利用效率要远远高于一般降水或灌溉水。第四,尽管露水量不一定很大,但它持续的时间要比降水长得多,发生的频率也要比降水高得多,往往在植物水分极端损失后的关键时期能够推迟叶片萎蔫,维持植物持续生存。第五,露水可以直接凝结在土壤表面或形成露滴滴落到土壤中,直接参与土壤和植物的水分平衡过程。

  不仅如此,露水还是自然生态系统中昆虫和小动物的重要水源,它对荒漠区微生态环境维持和固沙具有良好的作用,是土壤微生态系统的重要参与者和关键影响因素。

  收集露水

  在现实中,不仅可以有效利用露水,还可以通过改善或选择局地气候条件以及改造地表和地物特性等手段,来创造有利于露水资源形成的气象条件及适宜的地表热力和动力特性,以此来增加露水的形成量,达到开发的目的。实践中,开发露水主要从选择有利的气候条件和开发最佳的露水凝结两个方面来入手。

  就局地气候条件而言,在天空少云、空气湿度较大、风速适中、近地层逆温比较明显、表面温差较大时,露水形成率比较高。试验表明,产生露水的理想气候条件是:近地层大气相对湿度大于90%,风速保持在1~2米/秒之间,地表温度低于露点,近地层大气保持向下的水汽输送状态,等等。就地理条件而言,平坦开阔的地形有利于表面冷却和水汽输送,露水比较容易形成。

  同时,由于近地层大气温度和湿度的梯度分布很大,不同高度的冷却效果和空气水汽条件会有很大差别,露水收集装置距离地面的高低程度也会影响露水的形成。研究结果证实,在某些高度上露水收集效果确实要更好一些。
对露水凝结面的动力、辐射、热力和亲水性的改进都会增加露水形成的效率,所以创新和改进露水凝结面是目前开发露水资源的主要技术发展方向之一,它比选择局地气候条件更主动,也更有效。

  首先,对露水凝结面形态的改进是最为简单易行的技术手段,制作开口宽阔、体态扁平、体形轻巧的露水收集器,并将其架到空中,就能获得比自然状态更多的露水量。其次,对露水凝结面热力性质的改进也常用在新型露水收集器的设计中,它可以更显著地改善凝结面的冷却率,这对露水形成效率的提高比较明显,一般适宜采用热传导性差和反照率较大的材质制作露水凝结面。第三,使用具有较好亲水性的材料制作的露水凝结面也可以增加露水生产量。干净、光滑的无机材料凝结面亲水性最好。第四,可通过选择最佳的凝结面倾角来有效增加露水量。比较分析认为,凝结面与水平面成30o角时的露水收集量最多。第五,通过改进露水凝结面的结构设计,也可以提高露水收集量。网状结构由于具有充分的通风透气性、最小的热惯性和多向凝结的优点,是辐射冷却效果最好、水汽条件最佳、凝结面积最有效的凝结面结构。

  开发露水资源的新技术

  目前,在实际应用中,以金属网为凝结面制作的露水收集器对露水量的增强效果比较理想。这一装置用细铁丝编成直径约1米的漏斗形金属网,其中粗铁丝做经线,细铁丝做纬线,并用支架撑起金属网,在金属网漏斗下放置露水收集桶。为了更有效增加露水收集量,大金属网内还可再套上小金属网,或者把细铁丝编成松针状放在金属网内,以增强表面辐射和增大凝结面积。

  最近,人们开始尝试应用纳米技术和新型生化材料等更先进的技术来提高露水开发利用效果。比如,有人用纳米尼龙纤维制成的无纺布作露水收集器的凝结面,具有良好的效果。同时,还有人试验在地表喷洒高科技生化材料,来增加地表的亲水性,以达到提高露水量的作用。如果这种方法试验成功,可以在广大地区普遍推广使用,其现实意义会更加巨大。

  从发展趋势看,未来的技术方向应该是将辐射冷却效果好、亲水性强的新材料与网状结构和空中放置等多种技术优点相结合的集成技术,这也为人类抗御自然灾害带来新的希望。

  (责任编辑:叶海英)

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