热能在大自然的储存和分布特点

我通过普通的计算得出了一个惊人的结论：一立方米水完全蒸发所需要的潜热相当于一百七十三万立方空气温度变化一摄氏度所需要的热量。这个热量在自然界中，如果没有能源补充和辐射散射等输入输出，那么它能够使得17万立方空气温度上升10摄氏度，让1万七千立方空气温度上升100摄氏度。当然上升100摄氏度是不可能的，但是根据沙漠温度日较差可以推断温度变化30～40度是完全可以的。一立方米水完全蒸发所需要的潜热相当于5.8万立方空气温度变化30摄氏度所需要的热量。这个结果令人惊讶，但是细想起来也是可以理解的，在平常状态，在蒸馒头的时候，一锅水需要烧很长时间才能够把锅烧干，足以蒸熟很多馒头；过去瓦特发明了蒸汽机来带动机器和火车，蒸汽机的功率是非常非常大的，而它的功率就来自于水的蒸发热。蒸汽机目前并没有退出历史舞台，在万吨轮船上、在特大功率的机器上依然在使用。它们的原理都来自于水的巨大的潜热。所以这个计算结果的真实性是无容置疑的，是科学家们经过无数次的测定确定的。

这个计算结果的实际意义在哪里呢？我在上一篇博文中没有太多的讨论，因为我还没有完全清楚。但是张学文老师给了我们一些合理的意义，详情他已经在博文《水分循环（蒸发）对地球气温的影响（一种分析）》http://blog.sciencenet.cn/blog-2024-911957.html中做了说明，然后，《水分蒸发量阻止了多大的升温？》http://blog.sciencenet.cn/blog-2024-911735.html，得出了一个重要结论“1毫米的蒸发占用了大约5度的升温（近地面500米气层的空气的集体升温）”。

这个结论非常重要。我们通过这个结论可以大概计算出如果东水西调，那么需要多少水量就能够满足人类居住的需要和灌溉的需要。人类要居住，必须适当改变空气温度的日较差，目前沙漠地区的空气温度的日较差在夏季是30～40度，那么如果要使得适合人类居住，温度日较差应该在10～15摄氏度以内，那么应该平抑温度20摄氏度。按照张学文研究员的计算，在一千米高度上大概需要8毫米水。那么在120万平方公里的干旱地区每天需要用来平抑温度的水量为8毫米乘以120万平方公里，为1点2亿立方。这个水量不算多。也就是说也许我们每天向中国沙漠地区调水1.2亿立方就能够形成一定的中尺度的甚至大尺度气候变化。从而实现“四两拨千斤”的效果。

说起四两拨千斤，我们计算的结果的确是一个可以实现气候控制中四两拨千斤的效果的。我们一直在苦苦搜寻一种方法能够控制气温，能够控制风，从而能够改变沙漠地区恶劣无常的气候，但是基本不能够实现。现在看来调水也许是完全能够实现这一目的的。因为一立方水的潜热可以控制它自身百万倍的空气的温度。

如果地面温度能够下降20摄氏度，那么可以通过计算知道高空的温度。根据绝热直减率0.65摄氏度来计算，高空2000米的温度也会相应下降20摄氏度（实际可能下降的更多，因为水分增多的情况下不再是干绝热直减率），那么在高空就比原来更加容易形成水气饱和条件，从而会形成雨云，形成更多降雨。那么我们可以说引来了1.2亿立方水，得到了更多的降雨，所以实现了四两拨千斤的效果。

在科学网文章《水资源严重短缺 科学家试向天空要“云水”》一文中我们得到重要信息，每年我国平均云水资源（含水汽）约为22万亿吨，是年平均降水量的近4倍，换算为降雨量可以达到573×4=2292毫米。为什么这些空中水只有28%降落下来，而且分配非常不均匀。这里有好几个原因：1，距离海洋远近，2，高山的阻挡，3，地形和纬度，4，海拔等等。但是有一个重要的原因一直被我们忽略，那就是大自然中自身的热资源的分布特点、储存特点和散射特点。

有一个现实问题也许被大家忽略了：既然一立方水的蒸发热和凝聚热能够使得17万立方的空气温度升高或者下降十摄氏度，那么我们在池塘中放一池塘水，它的水量远远超过一个立方，那么会不会真的使得17万立方的空气温度升高或者下降十摄氏度呢？答案是否定的。因为如果要使得17万立方的空气温度升高或者下降，必须通过热辐射或者热交换这两种基本的方式。但是水的辐射热的能力很小，而水蒸气的辐射热的能力很强。从来没有发现炎热的夏季水库迅速干枯的情况。但是要让17万立方的空气温度升高或者下降通过交换的方式也不是很容易，因为这就必然形成风。要让17万立方的空气都经过这个池塘来降温，那么她刮起的风就很大了。

当然在现实中，无论是海陆风，还是湖泊风都是这种降温效应的一个实例。也就是说，在水和空气的热交换中，对流占据了最主要的位置。在炎热的夏季，雷阵雨来临前也是必然的刮起非常大的狂风，这其实就是一种水汽和空气热交换的结果。也就是说，要实现水和空气的热交换，风的形成和强化是一个重要的表现形式和必须途径。太平洋上的热带风暴、台风、雷阵雨前的旋风都是水和空气热交换的形式。当然风不一定都是水汽的产物，例如焚风、干热风、山谷风等虽然都是空气中热的交换形式，但是与水没有关系。需要指明的一点是，雷阵雨来临前的狂风其实是高空中水汽凝结放热的结果。

在现实中，我们发现水的蒸发热和冷凝热的出现并不是同时期的。例如，许多地方带雨气团可以停留一两个月时间，例如江南的梅雨季节，黄河流域的秋雨季节，都是空中水的冷凝季节，但是这些水汽是哪里来的，是什么时候蒸发的似乎还是个未知数。可以肯定的是梅雨季节带来的是南太平洋和印度洋的蒸发水汽，而黄河流域的秋雨季节的水汽来自哪里呢？

降水和蒸发一样可以改变某个地区地表的热分布，但是降雨和蒸发本身也是该地区地表的热分布不均匀的结果。我们发现在炎热的夏季，空气的温度可以高达35摄氏度，但是河流、湖泊、水库中水的温度只有20摄氏度，甚至更低，水和空气的温度差异可以大于15摄氏度。而土壤表面的温度可能达到60摄氏度，但是仅仅是10厘米以下的土壤温度却往往接近水温。这就表明一个问题：夏季的白天，大地上不同物质的热能是不均匀的。有的储存的能量多，有的储存的能量少，有的热能是可以交换的，存在于其中是不稳定的，例如空气，容易交换和对流的能量多；有的不能够对流和辐射的能量多，例如水体，而有的只能辐射，不能对流，例如土壤沙漠树木。而这些的热交换效果截然不同，空气既能够对流，又能够辐射，又能够传导，所以空气是夏季热能交换的最活跃因子。土壤沙漠虽然不能进行热对流，但是它却有一个其它物体不能实现的功能，它能够把太阳辐射的辐射能转化为热辐射，然后漫射到空气中。尽管这个过程比较缓慢，但是可以累积。这就是为什么夏至这一天太阳高度最高但是不是夏季最热的时候的原因。在高原地区，由于空气稀薄，当土壤漫射的时候，空气基本只能接受很少一部分辐射热，大多数辐射热被辐射到了太空。尤其是夜晚，夜晚有可能把白天的辐射增温全部用来辐射到太空，没有累积。当然高原地区虽然土壤吸收了太阳辐射，但是它转化为热辐射的能力也是有限的，因为土壤温度本身较低。所以在空气稀少的高原地区，土壤温度上升很慢，而且累积很少，高原地区夏季依然很冷。根据基尔荷夫定律（kirchhoff），KλT＝eλT，他表明：在一定波长、一定温度下，一个物体的吸收率等于该物体同温度、同波长的放射率。即对不同物体，辐射能力强的物质，其吸收能力也强。辐射能力弱的物质，其吸收能力也弱。黑体吸收能力最强，所以它也是最好的放射体。而土壤的特点非常符合基尔荷夫定律，它吸收辐射的能力很强，但是散射辐射的能力也很强，所以只要没有逆辐射和反复的散射，那么土壤温度会很快下降。所以低海拔地区的土壤高温在晚上完全传送给了空气，只积累很少一部分。这部分积累是通过传导方式进行的。夏季通过测量热传导可以到达地面下十几米，当不能传导的时候，土壤进入永冻层或者恒温层。恒温层随着纬度减小而增加。而我们夏季之所以出现三伏天，是因为土壤的热传导在土壤中所积累的热量造成的。

夏季由于太阳辐射非常强烈，地球会接受很多辐射能。但是这些辐射能对水的作用很小，因为水是透明的。水的辐射效应非常低下。所以水温变化不大。太阳辐射到水上对水没有很大的增温效果。但是可以促进水的蒸发。水一方面通过蒸发消耗一定的太阳能，另一方面通过透光消耗一定的辐射能，当然水温升高很慢也与水的比热容很大有关系。所以面积和体积很大的水体是冷水体，基本上晚上能够把大部分吸收的太阳热量再次辐射出去。土壤的比热容比水的小，但是土壤转化辐射热的能力是水的几百倍。

需要说明的是，尽管这些特点和水、土壤、空气的比热容，热容以及导热率、导温率有很大关系，但是定性描述基本可以忽略其具体值。当然具体情况比较复杂，因为土壤总是三相体，水和空气的比例对于土壤性质影响很大。水的比热容 4.186kJ/(kg·℃)/4.2 kJ/(kg·℃)，导热率:在20℃时，水的热导率为0.006 J/s·cm·K。土壤的体积热容量一般是1-2.5焦/厘米3·℃[2-3]   ，含水量大则更高。据估算在土壤孔隙度为50%、含水量为30%时，土壤的体积热容量一般为168焦/厘米3·℃。空气比热容= 1.005 kJ/(kg K) = 0.279 kWh/(Tonne K)（等压过程）。因此基本可以肯定水的比热容是土壤的2～4倍，是空气的4倍。

不同温度下水的各类物理参数：

这样，我们就绘制了一个夏季热能分布图：内陆地区，空气中的热能占全部热能的80%以上，主要以对流形式交换，辐射（反射、散射）也是一个重要方式。土壤占全部热能的10%以上，主要以辐射形式交换，传导也是一个重要方式。水自身在夏季所蕴含的热能只占全部热能的10%以下，主要因为有蒸散作用，而且水温的传导并不明显，水体内部有对流，但是不明显，水的辐射散热基本可以忽略。

所以在炎热的夏季，水是内能稳定体，空气是内能交换的最重要介质，对流是热交换的最主要方式。

热能在夏季的土壤、水和空气之间分布是极其不均衡的。这种不均衡是夏季气候多变，雷阵雨多，冰雹多，大风多的主要原因。

而水、土壤和空气的质量的比值的差异是各个地区气候完全不同的重要原因。在沿海地区和海洋性气候地区，水储藏了热能和辐射能的大部分，相对而言，分配给空气的热能减少，因此海洋性气候地带夏季反而“凉快”，气温日较差小，空气乱流少，气候平和。沿海地区空气中的热能占全部热能的60%以下，土壤占全部热能的10%以上，水自身在夏季所蕴含的热能只占全部热能的20%以上（具体需要测定和推导）。而内陆地区，水储藏了热能和辐射能的极少部分，主要的热能被土壤和空气承载，昼夜温差大，气候变化多端，不适宜居住和农作物生长。

水、土壤和空气的所占领的面积的比值的差异也是各个地区气候完全不同的重要原因。水体面积大，稳定性越高，气候异常情况越少；水体面积越小，空气的热能越多，空气中温差越大，乱流越多，异常气候越多。沙漠地区没有水，那么沙漠成为热能的主要承载体，热辐射也成为主要的热传导方式，相反空气流显得更加无常，但是却与风雨无关。

所以，很显然，要根治沙漠，改善沙漠地区的气候，就必须改变水、土壤和空气的热效应在大自然中的作用和所含的内能比例。从而能够起到平抑气温，改善乱流，增加舒适度，增加降雨的作用。而要做到这一切，调水是必须的。因为水的本质是内能稳定剂。

通常情况下，某一个中尺度的地域，我们可以把该地的太阳常数的修正值看作一个常数，那么它到底转化成了辐射能还是转化成了热能，这取决于水、土壤和空气的面积比和质量比。在植物茂盛的地区，还有一部分转化成为生物能储存起来。由于水、土壤、空气和植物的情况是千变万化的，所以同一地区的热能分布是很不均匀的，不同地区的热能分布也是很不均匀的。这导致雷阵雨、沙尘暴、冰雹、雾凇、霜冻等自然灾害也是很不确定，也是不均匀的。而要改善这些灾害的发生，就应该想办法改变水、土壤和空气的面积比和质量比。而调水是一种基本方法。

到了严酷的冬季，热能在水、土壤和空气的比例又不相同。由于水的辐射能力差，而对流能力也差，所以水是储存能量的良好载体，到了冬季水的内能依然比较多，水通过缓慢辐射和蒸发给寒冷的空气输送能量，使得湖泊周围的空气温度不至于太低。这就是海洋性气候地带冬季温度反而比内陆高的原因。往往相同纬度的内陆要比海洋地区的温度低十摄氏度左右。最明显的例子是受大西洋洋流侵润的西欧地区。而我国的东海沿岸地区也和内陆有明显的温度差别。

总之，通过本文我们发现其实在自然界，尽管太阳能分布是很均匀的，但是热能在高山、平原、河谷、山区、沙漠之间是不均匀的，在不同的介质中也是很不均匀的。这些差异是气候多变的主要原因，也是灾害较多的主要原因。但是我们找到了一种能够四两拨千斤的治理方法，就是增加水在其中的权重。