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物理学原理的普遍性——从台风到梯度胶 经历了七、八两个月的极端酷热干旱,我们即将迎来一个台风活跃的秋季,刚刚过去的2022年11号台风“轩岚诺”(Hinnamnor)在8月28号获得台风编号的24小时之内连升三级,从强热带风暴级升级为超强台风级,在行进过程中吞噬了菲律宾以东洋面上发展中的台风胚胎98W,变成了一个巨无霸超强台风,随后北上奔袭千里,在9月5日登陆韩国,造成了巨大的破坏,而紧接着的9月8日西北太平洋上又形成了12号台风“梅花”,与此同时梅花的东部还有着两个发展中的台风胚胎,极有可能在几天之内加强为13和14号台风,届时西北太平洋上将会有三个台风同时存在。正当西北太平洋地区台风频发的同时,位于地球另一边的北美正处于四个飓风的同时威胁之下,更不用提欧洲地区每年约300个,北美每年1000个以上的龙卷风。 8月15日美国北达科他州的龙卷风 无论是台风和飓风一类的大尺度天气环流系统(影响范围可达几千公里)还是龙卷风和雷雨大风一类的局部强对流天气,其形成都与大气和海洋的层结与对流有关,当我们了解其中的气象学、海洋学以及流体力学原理之后,将会惊奇地发现,这与我们在蛋白分析中常常使用的梯度胶之间有着共通之处。 首先我们需要了解一些流体力学的基础知识,在流体力学中我们将在空间中某个区域内定义的函数称为场,同一时刻场内各点值相同的场称为均匀场,反之则为不均匀场;相对地同一点在不同时刻的函数值相同的场称为定常场,反之则称为不定常场。本文中我们一般从空间尺度上讨论场,而我们经常使用的“梯度”一词,是场的空间不均匀性的量度。 在大气和海洋这样的流体体系中,在垂直方向上,受到重力作用的影响,密度大的气体和液体将会下沉,密度小的将会上升,最终形成一个垂直方向上的稳定的密度梯度,我们称之为“层结”,在大气中称为大气层结,海洋中称为海洋层结。当大气处于层结稳定的状态时,天气系统是较为温和的,会出现晴空、微风和毛毛雨;而当大气层结被破坏时,就会出现台风、暴雨和龙卷风等强对流天气。 台风的能量来源于表层海水的热力,当海水受热蒸发时,靠近海面的空气温度和湿度上升,密度减小,将会形成低压的上升气流,将海面附近的空气抽吸到高空,吸引周围的空气辐聚,大量气流在地转偏向力的作用下形成了气旋,而高空的气流则扩散受冷在外围下沉补充周边海域被抽吸至中心的空气,形成了一个立体的环流系统,并最终发展为台风。在此过程中,大气的稳定层结状态被海面的暖湿上升气流所破坏了,最终产生了大范围内大气的对流。 台风结构图 龙卷风的形成则要相对复杂,以发生在北美的龙卷风为例,位于美国西部的落基山脉平均海拔2000多米,南北走向的落基山脉会阻挡副极地地区地表强劲的西风直接吹到美国中部的大平原,但是落基山脉的高度却相对来说不够高,西风在沿山脉爬升之后最终越过了落基山脉,形成了高空的干冷气流,与从墨西哥湾一路沿着美国中部大平原地表北上的暖湿气流相交汇,形成了上层是密度大的干冷气流,下层是密度小的暖湿气流的极不稳定的大气构造,经过复杂的对流之后,最终形成了破坏性的龙卷风。龙卷风的形成过程可以说是将大气的稳定层结完全颠倒了过来。 龙卷风成因示意图 从尺度达到几千公里的台风,到影响范围几百米到几公里的龙卷风,接下来让我们把目光投回到我们手中几厘米大小的胶板,这其中灌注的轻重胶液同样也与大气中的干冷和暖湿气流服从着相同的流体力学原理。 当我们把不同浓度的轻重胶液灌入至胶板中时,就在胶板的垂直方向上制造了一个自下而上密度不断减小的密度梯度,形成了胶液的层结。如果制胶过程中出现了失误,使得浓度较大的重液到了轻液的上方,就会形成对流,破坏梯度胶的密度层结,这会直接导致梯度胶制作的失败。 目前市面上常用的梯度胶生成系统依赖于连通器原理,通过将轻液和重液分别置于两个相互连通的储液罐中,让轻液先流出至放置了装配好的底部开口的胶板的容器中,当轻液不断流出的同时,重液与轻液相连通,由于连通器原理,不断流出到轻液罐中,轻液罐中的液体浓度不断升高,并流出到胶板中,将先一步流入的轻液顶起,形成从液面到底部不断增大的密度梯度,直至轻重液全部流出,胶板被填满。 用此方法制作梯度胶难以保证不破坏梯度胶内部轻重胶液的密度层结,必须尽量减慢胶液灌注的速度,无法随意调整制作凝胶的数量,而且必须将促凝剂预先加入胶液中,一次制作必须将储液罐中的胶液全部使用完毕,一旦开始制作就无法停止,否则所有的材料就会全部被浪费。 南京中科通仪科技有限公司的M-Blot梯度混合仪系列产品针对目前已有的梯度混合系统的痛点,创造性地使用了多个精密控制的泵变速进液的专利方法,实现了对梯度胶的快速高效制作。 通过让轻液从慢到快,重液从快到慢地经过预混合管路并在管路中与促凝剂混合,将不断变轻的胶液加注到重胶液的上方,实现了梯度胶内部的稳定层结,任意时刻的泵流量之和是确定的,稳定且连续的进液过程保证了梯度胶内部不出现密度和浓度跃层,确保了蛋白垂直电泳中条带的清晰与平直,灵活的加液方式可以实现任意指定数量梯度胶的灌注,不需要担心浪费,可控的加液速度,可以实现单块凝胶最快在40秒内的灌装。还可以通过泵速度曲线的细微调整实现梯度可变的特种凝胶制作。 更有多款机型可供选择,手持操作的的基础款M-Blot梯度混合仪和配有两轴运动模组,可一次性自动批量灌装最多十块梯度胶的M-Blot自动化梯度混合仪,搭配多个胶板夹持工装,可实现梯度胶的批量生产。 M-Blot梯度混合仪 M-Blot自动化梯度混合仪 当我们抬头看到晴空与微风,听到新闻中传来的台风预警,思绪回归到实验室,看到手中拿着的一块普普通通的梯度胶,联想到它们之间千丝万缕的联系,仿佛回到1687年,牛顿爵士发表了《自然哲学的数学原理》一书,揭示了天上的月亮和地上的苹果都服从于相同的万有引力定律,而手中这小小的梯度胶也与全球范围内的大气和海洋有着相同的层结结构,服从着物理学的普遍规律。 详情请点击 M-Blot梯度混合仪 关注南京中科通仪微信公众号获取更多信息 参考资料 沙漠大洪水,野火,暴雪……近期全球极端天气气候事件盘点 ... 美国气象灾难的底层地理逻辑,究竟是什么?【地球知识局 ... |