气候变暖的自然因素及其作用机制分析

根据IPCC第三次报告(TAR)，“降水量构成大气中潜热释放的测量，长期平均984mm/yr的全球降水量意指垂直方向的平均加热量78W/m²”(Houghton et al, 2002)。已知地球半径(6370km)、水的密度(1000kg/m³)和0℃水蒸汽的潜热(2500kJ/kg)，984mm/yr降水量计0.984×(4×3.14159×6370000²)×1000=5.017×10¹⁷kg，所释放的潜热量为5.017×10¹⁷ ×2500= 1.254×10²¹kJ。如果将这股热量平均分布在地球表面，按一年8760小时平均下来即为78W/m²，这一数据被广泛认可(布赖恩特，2004；Sokolik, 2008)。但问题在于：大气环境中水的蒸发与凝结现象是相当频繁的，即便是白天，也肉眼可见云的蒸发消失，如图1所示，众所周知，大气中云的蒸发消失至少有蓄热作用，可使热量在夜间凝结时再次释放出来；另外，即便是水蒸汽在夜间凝结下来，也不一定形成降水，而是在天空形成肉眼可见的云，这应该是常态，意味着大气中水蒸汽凝结释放的潜热量会显著高于78W/m²的计算值。更由于水蒸汽凝结主要发生在夜间，因此按全年8760小时进行全球平均，其科学性和准确性明显不足，不利于评估水蒸汽凝结潜热的影响，也说明对水蒸汽凝结的影响存在认识不足的问题。

图1  云的消失(北京2007年10月13日下午16:13-16:15)

现在我们来看看大气物理学关于水蒸汽凝结的经典理论。为了推导水汽凝结的云滴(水滴及冰晶)长大过程，英国著名气象学家BJ. Mason作了一个限制性说明(Mason, 1975)：“让我们首先考虑维持常温和过饱和状态的无限大气中的静态、孤立、单核云滴的长大过程。”他的结论是：“几乎全部热量从云滴表面通过空气传导而散失。”他得到的云滴长大之热扩散方程如下，许多大气物理学教材引用了这一方程(Andrews, 2010;盛裴轩等，2003)。

      (1)

式中，L_v为水蒸汽凝结潜热；m为云滴质量；r为云滴半径；k_a为热扩散系数；T_r为云滴表面温度；T_∞为无穷远处大气温度；t为时间。

需要说明的是，式(1)与传热学中牛顿冷却定律的方程式在形式上基本是一样的。

           (2)

式中，T为物质表面温度；k为传热系数；A为传热面积；Q为传热量。

牛顿冷却定律的物理意义是环境热容量无穷大，接收热物体热量后的环境温度(T_∞)保持不变(陶文铨，2019)。但是，将式(1)用于描述大气中水蒸汽的凝结放热过程，却存在如下问题。

①根据相平衡原理，蒸汽凝结过程为等温等压过程(陶文铨，2019；曾丹苓等，1980)，因此，Mason的结论与其限制性说明存在明显的矛盾，“维持常温的无限大气中”竟然出现了温差。

②凝结的水蒸汽来自云滴周围的大气，而周围大气温度必须低于云滴表面温度，否则凝结潜热无法传导出去，即在式(1)所示的热传导存在低温的水蒸汽凝结在高温的云滴表面的情况，这显然违反了热力学第二定律的规定(张学文和周少祥，2010；周少祥，2008)。事实上，如果云滴表面温度高于周围大气，所能发生的只能是水的蒸发，而不是凝结。

③大气中水蒸汽凝结潜热巨大，如果将潜热传递给周围大气，必然导致大气温度的明显升高，不满足式(1)建立的前提条件。事实上，大气质量为5.26×10¹⁸kg和比热为1.004kJ/(℃·kg)，如果上述1.254×10²¹kJ的水蒸汽凝结潜热全部由大气吸收，则大气整体温升可达

1.254×10²¹/(5.26×10¹⁸×1.004)≈237℃

这显然不是事实，说明式(1)不能用于大气中水蒸汽凝结过程。事实上，大气环境不能满足式(1)建立的基本条件，Mason所做限制性说明中提出的“无限大气”的假设根本不成立。

下面谈谈牛顿冷却定律的正确性。绝大多数化石燃料都在地表燃烧，无论用于什么行业，生产了什么产品，最终都以热的形式排入大气环境。根据《2020 BP世界能源统计年鉴》，2019年全球化石能源消耗量折合热值4.9234×10¹⁷kJ。假设这股热量全部被大气吸收，则大气整体温升为4.9234×10¹⁷/(5.26×10¹⁸×1.004)≈0.093℃，牛顿冷却定律具有正确性。而1.254×10²¹kJ的水蒸汽凝结潜热是2019年全球化石能源消耗总热值的2547倍，对全球而言，人为活动的热影响远远小于自然因素，这是一个基本事实。如果太阳活动发生些许变化，所造成的影响也必然是人为活动所不能企及的。况且，大气中水蒸汽凝结的潜热量实际上远不止IPCC报告给出的78W/m²的数值。

另外，式(1)虽然给出了水蒸汽凝结量随时间的函数关系，但是这一凝结速率其实是无法确定的物理量，因为大气环境中，发生水蒸汽凝结的高程、凝结温度、云滴表面温度及风速等随时在变，无法测定，即式(1)无法得到实验验证。

一些大气物理学著作还给出了云滴质量增长率方程(Andrews, 2010; 盛裴轩等，2003)。

             (3)

式中，D是水蒸汽扩散系数；ρ_l为云滴密度；ρ_v(∞)为无穷远处的水蒸汽密度；ρ_v(r)为云滴表面处的水蒸汽密度。

式(3)是物质平衡方程，表明在水蒸汽浓度差作用下，水蒸汽向云滴表面的扩散速率与云滴长大速率的平衡关系。但是根据热力学原理，温差、压差也会导致物质迁移，式(3)只考虑了密度差的作用，因此这一方程建立的缺省条件是“等温等压”；并且式(3)未告诉我们水蒸汽凝结“潜热”是如何被扩散出去的。

不难看出，式(1)与式(3)结合，云滴长大过程可以用图2表示，水蒸汽凝结方向与传热方向相反。而在传热学中，水蒸汽凝结方向与传热方向一致，如图3所示(陶文铨，2019)。毋庸讳言，二者之间存在无法调和的矛盾。在工程热物理领域，从未出现图2所示的凝结传热过程。

至此可以肯定地说，水蒸汽凝结的潜热“从云滴表面通过空气传导而散失”是不可能的，由此可以推断，水蒸汽凝结只能以辐射方式释放潜热(周少祥，2008)，这意味着水蒸汽凝结潜热可以影响更大的范围。

但是，式(1)表示潜热进入周围大气，并不改变大气温度。又由于水蒸汽凝结一般在高空，因此人们会很自然地认为凝结潜热的释放不会影响到地表气温，这直接导致经典温室效应理论把这股实际上远超“78W/m²”的巨大潜热量排除在温室效应的范畴之外，这是目前的大气热力学及经典温室效应理论的严重不足。

图2  大气物理学中的水蒸汽凝结过程       图3  传热学中的水蒸汽凝结过程

上述分析清晰说明水蒸汽凝结以辐射方式释放潜热这一自然因素的存在。