有聰明人看到這題目的第一反應是：廢話，沙塵輕啊，它自然就能飄在空氣中了！

果真如此嗎？

在讨論沙塵之前，我們需要先搞清楚另一個問題：同時從高處往下扔一輕一重兩顆鐵球，哪個鐵球先着地？

傳說伽利略曾做過這樣一個實驗，為了證明重力加速度與質量無關，他跑到比薩斜塔頂部，右手捧一顆炮彈彈丸，左手捏一枚槍彈彈丸（也就是一大一小兩顆鐵球），同時撒手，結果兩顆鐵球“同時着地”。這就是現在高中學生在物理課上學到的“自由落體運動”。

伽利略的落體實驗

真的是大小鐵球同時着地嗎？這需要打個問号。

沒有一份科學文獻證明伽利略真的在比薩斜塔扔過鐵球，但物理課本裡講自由落體時着重強調了一個條件：自由落體運動需要“在真空中”。也就是說，即便你現在去斜塔頂端或者别的高處往下扔東西，它也不會是自由落體，因為存在空氣阻力。

當空氣阻力參與到實驗中來時，快速下落的鐵球就不隻受到向下的重力作用，空氣對它們也同時施加一個向上的拖曳力。這個力的大小與鐵球的大小相關、與它下落的速度相關。事實上，小鐵球因為體積更小，它的投影面積A更小，受到的空氣阻力也更小。

空氣阻力方程

因此，小鐵球比大鐵球下落的速度更快，它要比大鐵球先落到地面。隻不過，比薩斜塔的高度隻有50米，在這麼短的距離内兩顆鐵球的速度差憑肉眼還看不出來罷了。

如果對鐵球運動進行更嚴格的力學分析，它們還同時受到空氣浮力的影響，體積越大受到的浮力也更大，隻是相對于鐵球的重力來說浮力微乎其微，在此可以忽略不計。

有些地區會經常性地刮沙塵暴，塵土被強風吹起，遮天蔽日，久久不能平息。

沙塵暴

為什麼會出現這種情況？

如果我們向上抛一個石塊，它會很快掉落下來：

抛石塊

當你抓一把小石子抛向空中，它也會很快落回地面：

下落的石子

但如果我們扔向空中的是一把沙塵，情況便大不相同：那些稍大的顆粒很快下落，而更多的粉塵會飄浮在空中，很久才會飄落下來。

沙塵

沙塵是極微小的石塊，如果我們對一小撮塵土進行顯微攝影，會發現它們也是混雜了各種礦物的石英砂粒。按照前一節的結論，沙塵的體積更小，它受到的空氣阻力也更小，應該比石頭更快落到地面，但這不符合常識。

顯微鏡下的沙塵

答案就在我們的空氣裡。

地球表面包裹着厚厚的大氣，在絕大數的時間裡我們看不見空氣，也很少關注它。如果我們扔一個石塊，幾乎不需要考慮空氣的影響，但對一顆直徑僅有0.02或0.01毫米（PM10）的塵埃而言，空氣的影響就成了不能不考慮的因素，事實上，從物理學角度來看，空氣已經成為塵埃在大氣中運動的決定性因素。

早在1840年代，喬治·加布裡埃爾·斯托克斯（George Gabriel Stokes）就已經發現了微小物體在黏性流體中艱難運動的規律，并由此總結出斯托克斯定律：

Fd=6πrηv

在這個方程中，物體在具有黏性的流體中不僅受到地球的引力，還受到流體在其運動相反方向的阻力Fd，這個阻力與它的半徑r、流體的黏度η和相對運動速度v成正相關關系。Fd被稱為斯托克斯阻力。

斯托克斯阻力

當塵埃受到的斯托克斯阻力與其重力相當時，就會飄浮在空中；如果這時候有風，塵埃就會被推着随風飄蕩；如果沒有風，塵埃會緩慢沉降到地面。

每一年，位于中南美洲的亞馬遜雨林都要降下大量塵土，為雨林帶來豐富的土壤和礦物質。這些塵土是從哪裡來的？它來自遙遠的非洲撒哈拉沙漠。當撒哈拉沙塵被風吹起，它們會被上升氣流推上高空，然後由信風帶着越過寬闊的大西洋一路向西。如果大西洋表面足夠溫暖，上升氣流甚至可以托起直徑達0.45毫米的沙塵飄到3500公裡以外的地方。

沙塵在空氣中并非孤立存在，當沙塵暴來臨時，每立方厘米的空氣中往往充斥着數以千計的塵埃顆粒，顆粒物相互碰撞并随機改變其運動方向，這種現象被稱為布朗運動。在重力的共同作用下，布朗運動将顆粒物撞擊推擠到濃度較低的區域，這也是沙塵暴滾滾向前、勢不可擋的一個重要因素。

布朗運動軌迹

空氣中彌漫的沙塵大多是些極為細小的懸浮顆粒物，它們的直徑通常都小于0.02毫米。如果沒有上升氣流的作用，那些大于0.01毫米的顆粒物會在重力作用下花費幾個小時沉降到地面，而更小的顆粒物（如PM2.5）則将在大氣中停留幾個星期的時間。

當我們向空中投擲一塊石頭或一顆石子，由于空氣阻力相對于重力而言微不足道，所以我們不容易觀察到空氣對其運動速度的影響。随着物體體積的進一步減小，當直徑達到0.03毫米以下時，空氣的粘滞作用将變得越來越突出。

沙塵暴滾滾向前

對于一粒直徑小于0.01毫米的沙塵顆粒而言，氣體分子的撞擊力會顯現出來，空氣就像糖漿一樣粘稠。在斯托克斯阻力的拖曳下，沙塵可能需要十幾分鐘才能下降1米，隻需要一陣輕風就能使它再次回到高處，這便是沙塵可以長時間飄浮在空中的真正原因。

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