【对俄罗斯的制裁加剧了全球氦工业面临的麻烦】

氦是已知宇宙中含量第二丰富的元素,但对于半导体制造商和依赖氦开展业务的公司来说,氦更为人所知的是,它是稀缺的最新原材料——乌克兰战争可能会使短缺情况进一步恶化。

俄罗斯预计最终将从其远东的一家大型天然气厂开始生产相当于目前世界氦产量三分之一的氦,但随着西方国家切断该国入侵乌克兰的资金流,专家担心天然气无法进入全球市场。

在氦行业拥有数十年经验的顾问菲尔·克恩布鲁特(Phil Kornbluth)表示:“世界将需要来自俄罗斯或其他国家的新供应,才能进入市场。”虽然目前还不清楚该国将面临多长时间的制裁,“如果制裁措施长期搁置,与俄罗斯做生意将很困难。”。

氦是一种惰性气体,用于给气球充气、液化以冷却磁共振成像扫描仪,曾被部署在航天飞机任务中。氦还用于制造半导体,而半导体在全球范围内供不应求。总部位于美国的压缩气体协会工业集团总裁兼首席执行官里奇·戈特瓦尔德说,依赖这种气体的公司如今无法获得所需的数量。“他们开始感到手头没有足够的氦来做生意。”

“脆弱”的供应链

2019冠状病毒疾病的全球供应链尚未恢复,这导致了大量订单积压、交货延迟和工人和原材料短缺。

作为天然气生产的副产品,只有少数几个国家生产氦气,这形成了一个供应链,科尔恩布鲁特称之为脆弱的供应链,一旦生产中断,就容易出现短缺。最大的生产国是美国,它运营着联邦氦系统,这是一个位于德克萨斯州阿马里洛的大型储备和浓缩设施。但该设施非但没有解决天然气短缺问题,反而成了它的震中。去年7月,出于安全考虑,该公司被关闭。据一份公共状态报告显示,截至周四,它仍处于离线状态。

起初,公司希望俄罗斯的阿穆尔天然气处理厂能填补这一空白。该厂由能源巨头俄罗斯天然气工业股份公司(Gazprom)建造,每年能生产6000万立方米氦气和数百亿吨天然气。但在媒体报道火灾后关闭以及今年早些时候的另一次关闭之际,它去年只制作了一小段时间。

电话响了

美国和欧洲现在已经在入侵乌克兰问题上对俄罗斯采取了严厉措施,包括切断俄罗斯银行与Swift金融信息系统的联系。

Kornbluth表示,如果这些措施持续足够长的时间,可能会破坏氦合同,更直接的是,阻止外国专家帮助解决阿穆尔工厂的问题,并阻止俄罗斯天然气工业股份公司另一个工厂生产的氦进入欧洲。

戈特瓦尔德表示,企业获得俄罗斯氦供应的希望已经破灭,很多人都说,俄罗斯正在崛起,他们将填补阿马里洛不再带来的空缺,但现在这将非常复杂。

对氦的争夺可能会增加小型生产商的业务,这些生产商在世界天然气供应中只占少数。
“我们的电话一直响个不停,”北美氦气公司董事长兼首席执行官尼克·斯奈德说。该公司在加拿大的两个工厂生产氦气。尼克·斯奈德预测,制裁可能会永久性地抑制对俄罗斯天然气供应的需求。但是他表示“我不认为主要终端用户会忘记这里发生了什么,他们如何看待供应。”

#为什么在平原的河流却会不停拐弯#
为什么地势平坦,河流却弯弯曲曲?
爱因斯坦1926年在普鲁士科学院宣读了一篇文章,
题目译作:“河道蜿蜒的成因和拜尔定律”。
此文发表于德文期刊《自然科学》(Die Naturwissenschaften , Vol. 14, 1926)
没找到德文原文,英文标题如图:
Einstein,1926
水流往往会弯弯曲曲地前进, 而不是沿着坡度最大的线下降,这是常见的自然现象。
河流并非一开始就这么弯,而是逐渐变弯·····弯的。
Fundamentals of Geomorphology-Routledge (2017)
河流们经历了什么?
高中地理告诉我们:北半球的河道右侧往往侵蚀得比较厉害, 而南半球的河道则相反。
这是地球自转偏向力的原因,即科里奥利力效应,也就是拜尔定律。
因此,有人会把河流弯曲的成因,仅仅归结为地球自转偏向力所致,这是种误解。
目前的共识是:
在一定条件下(河道局部弯曲、地球自转偏向力等),河道两侧和顶底的水流速度差异(摩擦力所致),导致水流在河道横截面,产生横向环流,造成两岸侵蚀程度不同,通常表现为一侧堆积,一侧侵蚀,以致河道越来越弯曲。
需要说明的是,由于水流沿着河道径向流动,这个横向环流在空间上表现为螺旋环流。
Hamblin, 2003,Earth Dynamic Systems (10th Edition)
这只是一种描述性地解释,
那么这其中涉及的因果关系到底是什么呢?
横向环流是如何产生的呢?
爱因斯坦通过力学分析,做了解答。
爱因斯坦举了一下小例子来讨论这种圆周运动——横向环流。
这个例子被称为茶叶悖论。
一个装满茶水的平底杯,杯底散聚有茶叶。
如果用勺子搅拌茶水, 会出现这样的现象:
起初,杯中的茶水几乎会像整体性地旋转,并带动底部的茶叶一起运动;
然而,随着搅拌的继续,茶叶很快会聚集在杯底中心。
茶叶聚集在杯子底部的中心,即使周围的茶水中仍有漩涡翻滚,它们也几乎维持静止。
茶叶悖论与二次流
这种现象的原因如下:
液体的旋转产生离心力,液体在杯壁附近还受到摩擦力,
因此杯壁附近水流的旋转角速度,会比中心附近的水流更小。
特别是, 底部附近的旋转角速度和离心力会比高处更小。
结果就是, 液体会做下图所示的圆周运动。
Einstein,1926
它会继续增加, 直到在杯壁摩擦的影响下趋于停止。
茶叶被圆周运动扫到杯子中心, 可以证明这种圆周运动的存在。
这个过程在流体力学中被称为:“二次流”:
二次流是一种复杂的运动,是对初始的搅动的响应,二次流会沿着圆柱形的杯壁向下流动,在杯子的中央部分向上流动。
可见,在离心力和摩擦力的共同作用下,会产生这种圆周运动。
同理,弯曲的河流也会发生类似的事情。
要产生这个离心力,河道需要一个起始的弯曲,
这可以由很多因素造成,例如:岩性差异、构造差异、地形因素、生物原因等等。
在弯曲河道的任一横截面处, 都有一个离心力,
朝着曲线外侧的方向(从A到B) 起作用(如下图)。
Einstein,1926
这个力,在河道底部附近要小于高处,
因为底部附近的水流速度因摩擦而减小。
这便产生了上图(右图)所示的那种圆周运动。
其实,不一定非要是离心力,只要是一个垂直于水流方向的力就行。
因此,由于地球的旋转, 即使河道没有弯曲,这种圆周运动也仍然会发生, 只不过规模较小。
地球的旋转会产生一个与水流方向垂直的力——科里奥利力,
其向右的水平分量,是每单位流体质量:2vΩsinΦ,
其中v 是水流的速度,Ω是地球旋转的速度,Φ是地理纬度。
由于河底摩擦导致这个力朝底部减小, 所以这个力也产生了这种圆周运动。
如上,我们解释了横向环流的成因。
但这仅仅是解释了河道中水流的规律,还没有真正涉及到河道弯曲的原因,
显然,河道弯曲是差异侵蚀作用的结果。
这我们需要注意水流横截面的速度分布, 它对于侵蚀起着决定性的作用。
因为在相同条件下,水流速度越快,侵蚀作用越强;
无论这种侵蚀依赖于力学因素还是物理–化学因素(如岩石、沉积物的溶解),情况都是如此。
因此, 我们必须着眼于影响河岸处流速梯度的因素。
为此,我们必须先知道河流中的(湍流)速度分布是如何产生和得到维持的。
首先,如果河道中此前静止的水,突然被一个均匀分布的加速力启动,
那么横截面上的速度分布起初将是均匀的。
但在河岸摩擦的影响下,
将会逐渐形成一个从河岸朝着横截面中心逐渐增加的速度分布。
原本在横截面上(大体上) 定态分布的速度,会在河流摩擦的影响下被逐渐搅乱。
W. W. Norton ; Robert Rauber,Earth Science[M], 2017.
流体动力学以如下方式描述了这个静态速度分布的建立过程:
在平面流的情况下,所有涡线都集中在河岸上。
它们分离开来,朝着水流的横截面中心慢慢移动,分布于一个厚度不断增加的层上。
河岸处的速度梯度因而逐渐减小。
在液体内摩擦的作用下,水流横截面内部的涡丝被逐渐消耗,并且被河堤处形成的新的涡丝所取代, 这样便产生了一种准静态的速度分布。
W. W. Norton & Robert Rauber,Earth Science[M], 2017.
重要的是,获得静态速度分布是一个缓慢的过程。
这就是为什么许多并不太明显的、却一直在起作用的因素,能对横截面上的速度分布产生很大影响。
现在我们考虑一下,因河道弯曲或科里奥利力所引起的圆周运动,会对河流横截面上的速度分布产生什么样的影响。
Fundamentals of Geomorphology-Routledge (2017)
运动最快的水流距离河岸最远,也就是说在河道底部中心的上方。
以上图A为例,(为看图方便,下文的左右指的是图面的左右,而非以河流东方向判断的左右)
圆周运动将会驱动河水速度最快的部分,朝右岸移动,
而左岸则会接收来自底部附近的速度特别低的水。
因此上图A中的情况下,对右侧的侵蚀必然比对左侧更强。
应当注意,这种解释本质上基于这样一个事实:
即河水缓慢的圆周运动会对速度分布产生相当大的影响,
因为通过内摩擦(抵消了这种圆周运动的后果)所做的速度调整也是一个缓慢的过程。
如上,我们已经揭示了河道蜿蜒的成因。
由这些事实不难推出一些细节。
侵蚀不仅在右岸较强,而且在底部右半边也比较强,因此往往会形成下图所示的轮廓。
Fundamentals of Geomorphology-Routledge (2017)
此外, 由于表面的河水将来自左岸,因此尤其在左侧,河水移动得不会像更深的河水那样快。
事实上, 这个现象已经被观察到了。
还应注意,圆周运动具有惯性。
因此,它只有在弯曲最大的地方以外才能达到最大,当然,这也适用于侵蚀的不对称。
Fundamentals of Geomorphology-Routledge (2017)
因此在侵蚀过程中,河道弯曲形成的波浪线必定沿着水流的方向前进。
最后,河流的横截面越大,圆周运动被摩擦消耗得就越慢。
因此,河道弯曲形成的波浪线会随着河流横截面的增加而增加。
总之,
在河道局部弯曲或地球自转偏向力的作用下,会产生一个垂直与河道的力,
加上河岸和河床的摩擦力,会形成横向环流(螺旋环流),
河流不同位置流速不同,导致两岸侵蚀程度不同,
通常表现为一侧堆积,一侧侵蚀,
随着时间的推移,侵蚀差异越来越大,河道便越来越弯曲。
Fundamentals of Geomorphology-Routledge (2017)
值得一提的是,
蜿蜒的河曲通常发育在平坦的下游地区
这已经是河流的暮年阶段,
扭曲的形态,像镌刻入大地的皱纹。
它们似乎不想这么快告别陆地,
而是尽可能地多绕点弯路,
多留恋一会,
这最后的、自由流动的时光。
因为,百川入海后,
谁还会记得每条河流本来的样子。
(PS: 为避免造成误解,特此说明:曲流河并非只发育在下游的平原,在中-上游,很多地形平坦的高原,同样可以发育河曲,例如若尔盖大草原等。)
Essentials of Geology[M], 13th Edition-Pearson , 2016.
世界主要自由流动河流全家福(Grill,2019,Nature)。

梦到自己也掉进了无限流的世界,我走在一条路上,刚开始风景很美,还有大片的花田,接着慢慢走进树林,没有了阳光,黑漆漆的,但不知道哪里冒出来几缕微弱光,亮度能刚好看清脚下的路。又慢慢走着,路过覆着一层水的石子路,翻过一些木制的路障,还有些记不太清,只记得最后一处,是要站在小湖的一侧往对岸的布网里投掷一只活的癞蛤蟆,这就难倒我了,我平生最怕冷血的长得奇怪的动物,癞蛤蟆几乎排在第一,犹豫了很久,最后用袋子套着扔了过去,砸进了网里,可是它又自己跳了出来,我失败了,原本好像过了关要做什么事情来着也忘了…


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