“水分子团簇”会影响气象学中的某些经典认识？

张学文，2016/5/11

退休（1998）后我才知道除了原子、分子以外还有由N个分子凑在一起的所谓团簇粒子在自然界的存在。而在大气中如果水汽不仅是以分子形态存在，也有水分子团簇存在，那么气象学中关于水的存在运动变化作用的特征就要重新考察一番，以致有重点修订了！下面想到几点，简要说一说：

1.       虚温公式的错误：气象学中有个虚温订正公式。它普遍用于探空业务的各个等压面的高度计算和从本站压力推算海平面气压等领域。而这个虚温公式中包括水汽的分子量应当=18。但是当我们承认空中水汽是不同的水分子团簇以后，水汽的“分子量”得加大，而不再是原来的18了。一旦大气中的“水汽”的平均分子量不是18，而是更大，那这就影响了虚温订正值的正负号。而这意味着气象探空业务中过去的虚温订正反而是存在方向性的错误（尽管不大）。就此我在《空中水文学初探》的书（2010）中已经做了讨论。

2.       形成云滴时的凝结热在那里散去：水汽变成水滴对应着气体变成液体会有大量的凝结热释放出来。空中的水云滴在其长大的过程需要获得大量的水汽分子。所以云滴变大伴随着大量的凝结热在云滴表面释放。但是凝结热的释放对应着云滴的表面温度的提高，而表面温度的提高又阻止凝结进一步进行。所以这个经典气象学凝结模型是个不能自圆其说的理论模型。现在有了水分子的团簇模型就从整体上改变了空中水滴变大的模型：水分子不是单个地奔向空中水滴的，而是以团簇的形式聚集水滴上并且使其变大的。而水分子团簇与水滴的合并所伴生的凝结热就比单分子小了很多，于是凝结热阻止凝结过程的问题就淡化了很多。

3.       不同水汽团簇的存在可能改变我们对层云的认识：上个月网友马东民送我的论文中含有这样一个涉及不同分子团簇数量与自由能、环境温度的关系的公式。这个类似波尔兹曼能量分布的公式给我一个重要提示是冷的空气中的水汽大团簇要多些。把这个公式用于大气环境里，我们获得的认识是高空（冷）的水分子大团簇多而底层大气由于温度高，水汽的单分子个体多。单分子水汽比空气轻，于是它要上浮，可它到了冷的高处就容易变成水分子团簇。而这种粒子比空气重，于是又往下沉。而单分子水汽上升，多分子水团簇下沉的局面自然使我们看到空中存在很多层云。--也许这是对气象现象中大量存在层云的根本原因。关于这一点我可能以后进一步讨论。 (20160512注：由于考虑的不严谨，本段取消了，日后可能另外有说明）

总之，团簇概念用到水汽上，值得气象学认真审查有关的理论模型，或许这也是我们认识空中水、云、降水、水分循环问题的新突破口。