大气不喜欢水汽---大气中的极值原理

张学文，20190326

标题里的大气就是指地球上的空气。

我们知道地球上的空气不是装在瓶子里的气体，而是依靠地心引力浮在地球下垫面以上，50公里高空以下（实际没有上限，不过97%的空气在50公里的高空以下）可以自由流动的气体。也就是说空中（空气存在的空间）是完全自由出入的没有门限的空间，任何气体谁想去都可以。

这使我不时的问：地球表面存在3公里深的水层（海水平铺在全球），即地球上水分十分丰富。可为什么空中的水汽却如此的少？据计算全球空中水汽的平均厚度仅相当于2.5厘米厚的水层。即空中水汽的数量比起海水的数量来，它不足海水的十万分之一（2.5厘米/3公里）。

看来大气不喜欢水汽！

可这是为什么？！

对此我没有定见。最近翻（没有资格读）周筑宝教授的最小能耗原理及其应用一书，又使我想到了“化学势最小”、“最小作用原理”、“最大熵原理”等等联系着极值原理的自然规律问题。我想大气的存在与活动应当体现着极值原理！但是它是如何体现了极值原理的？那些大气现象如果体现了极值原理，那些大气的变化提现着极值原理对大气的指挥作用？

确实，我们应当思考这个问题，并且给出有关说明。我感到这个思路好，可自己又难以下手。

在这种知识背景下，我此前想到的“大气不喜欢水汽问题”可能就是这些原理的一种体现。不妨先定性分析一下。

1.        一个看问题的角度就是“大气总是希望自己的化学势最小”—于是大气不喜欢水汽也来占有大气的化学势的数额。于是努力减少水分的数量就是减少大气的总的化学势的办法之一。确实水汽恰好是可以通过相变（变成为液体的雨滴、固态的雪花）而脱离开空中的。看了降水就是减少大气中的化学势手段！降水符合化学势减少这个“目的”。

2.        记得位能最小也是自然界的一个准则。墙上两个钉子当中一根长线。这线静止于什么状态？力学家说它处于所谓“悬链线”的状态下。而这种状态对应线的总位能最小。如果把这个极值思路用于空中水汽，那么水汽变成落地的雪花、雨滴都是使空中水的位能变得尽量小的途径、手段。这样考虑问题没有什么不妥当的。

3.        大家都知道水的蒸发潜热很大。即水分从固态变成气体要消耗大量的能量。但是我们也知道这种蒸发热实际上与液体水的表面张力的自由能是对应的。所以水分蒸发变成水汽（水的单分子存在）就是表面自由能的加大，而两个或者多个单分子水汽的合并则是表面自由能的减少。所以气体状态的水汽的凝结是自由能的减少过程。很多小水滴变成大水滴是自由能的减少过程，我们从表面张力、自由能角度考虑系统的自由能减少，这也应当是自发进行的自然过程。

4.        另外，我们知道蒸发是外力强迫空中水增加的过程，因为这需要大量的能量（蒸发热）。没有外来的能量海水不是那么轻易地蒸发进入大气的。就此我们可以说是太阳能提供了海水蒸发的能量。即是外来的能量才把水分子踢到了空中。而不是空气好客请水汽进入的。

依照上面的分析，不妨认为空气不喜欢水汽，水汽进入空中（蒸发）是与外来的因素太阳能联系着的，而空中为数不多的水汽脱离空气则可以从大气中的化学势减少、位能降低、表面自由能减少这些自发过程对应。