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对《重力场气体温差律及其与麦克斯韦速率分布律》一文的详细评论

已有 808 次阅读 2020-9-22 16:20 |系统分类:论文交流

对《重力场气体温差律及其与麦克斯韦速率分布律》一文的详细评论——纯粹用重力做功的方法或热力学速率分布律的方法来计算垂直减温率的方法印证了笔者对干绝热垂直递减率的分析结果


按:张学文老师在我的博文“关于《大气物理学》中有关大气稳定度证明缺陷的详细说明的评论中提到有一篇文章“(2016全稿)重力场气体温差律及其与麦克斯韦速率分布律值得看看。我以前从没看过这篇文章,学文老师给出链接的那天我当时只是迅速扫了几眼,觉得里面的思路和我的文章思路有相似之处,有些欣喜,但是也有些奇怪为何该文的计算结果与我的计算结果有较大的不同?由于当时我有些疲惫,以及还有另外的一些学术讨论的问题需要去思考和回应的,因此我当时没有仔细的看完和验算。今天我第一次仔细看完了这篇文章,也做了验算,以下是我对这篇文章的详细评论。


首先在大气的垂直温度分布是否要考虑重力的影响这一点上,该文和我的文章里的考虑很相似(***学文老师给出的那个链接,文章标题里标的时间是(2016全稿),不过我在网上查的结果显示,谢荣庆老师写这篇文章的时间要更早,而且可能曾经有过多个有所不同的版本,比如2008年的这个网页,参见链接:https://www.fwsir.com/jy/HTML/jy_20080807125753_161782.html,我目前找到的最早版本是2002年的《中山大学学报论丛》中的“重力场中气体温度随高度变化的规律”一文,不过该文的内容上没有标识了‘2016全稿’的这篇文章丰富完整,不过核心内容上是基本一致的)。不过谢荣庆老师的这篇文章(以下将简称为‘谢文’)的出发点和我的文章有点不太一样,尤其是对于整个这件事情(即大气的干绝热垂直减温率及其与大气稳定度的相关关系)的物理机制的考虑是非常不一样的,我的出发点是从分析中性大气的稳定度出发去推导它的垂直温度分布的物理机制和相应的数值结果的。此外,谢文并不认为现有的干绝热减温率推导方法中所用到的机理模型是有问题的,而是认为该论文的推导计算和现有教材有关这个问题的概念是互补的(至少不互相矛盾的)关系。而在上述这些核心问题上,正是我的博客论文与该文的最大差别之处。

其次,谢文的具体计算结果是有错误的(这也就是我刚刚前面提到的,我当时第一眼看完之后觉得有点奇怪,我的论文和该文的考虑思路,其理由是相似的,都是考虑重力势能和气体内能的守恒转换,为什么该文的结果会跟我的结果有较大的偏差呢?)。现在我给出对这个问题的解答:根子在于谢荣庆老师的那篇文章对于大气的分子运动的平均总动能计算中的自由度的考虑是错误的,该自由度应该是5不应该是6,因为大气的主要成分99%都是氮气和氧气,而这两种气体在我们地球的自然环境中可以近似为理想气体,而且是刚性的双原子分子理想气体,因此其自由度应该是5,而不应该是6。将该文中的自由度6代替为5的话,结果是1.368,与我的计算结果1.353非常接近(用麦克斯韦速率分布律的计算方法修正后的结果也是基本一样的)。而如果我们考虑到大气里面除了有双原子分子的氮气和氧气以外,还有一些比如二氧化碳(三个原子),以及一些其他的杂质物质等,这些微量气体都会影响到大气的分子运动平均总能量的自由度数值,因此对于刚性双原子分子的5这个自由度,要进行修正的话,应该要往大的方向去考虑,应该要比5稍微大一点。如果自由度取的是5.1的修正值的话,那么相应的计算结果是1.341,如果取5.05的话,计算结果是1.354。上述这几个计算结果都与我的计算结果1.353非常接近。

当然,若要具体地修正大气的这个平均自由度是比5大多少的话,需要更为细节化的考虑,这个问题需要更加细致的工作,但即使不修正,就用刚性的双原子分子的自由度5来计算的话(毕竟氮气和氧气占大气的99%),也已经足够有力地支持了我用先假定分析气团与周围大气完全孤立隔绝,再通过定容过程与重力场进行能量守恒转换来分析中性大气的垂直温度递减率的推理过程。而且,与之相比起来,我从理想气体的定容过程来进行计算分析的话,定容比热容参数是经过大量的物理学家做过大量实验,实测出来的结果,这个结果相对更精确是正常的。

综上所述,修正了谢荣庆老师的文章中的自由度使用错误的这个问题后,用该文的计算方法得到的结果与我的推导计算结果基本完全一样,而出现这个互相印证的现象的根源在于:两种方式都是只考虑分析气体与重力场的能量守恒转换。但是,该现象的真正启发和理论价值在于:就真正的物理机制而言,对中性大气的垂直温度分布递减率的分析来说,正确的推导思路就应该是先假定分析气团与周围大气完全孤立隔绝,只和重力场进行能量交换,这样才能得到中性的随遇而安的大气其垂向的温度变化究竟应该是符合怎样的一个垂直递减率的。




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2 张学文 苏保霞

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