从热力学分析的基础看诺奖得主真锅淑郎论文关于“地表热容量为0”的假设

真锅淑郎的论文做了“地表热容量为0”的假设。

虽然地表热容量在他们的大气热平衡计算中没有任何实际作用，但如此假设却存在基础性热力学认知错误。事实上，如果一个物体的热容量为0，当有热量输入或输出时，其温度变化将不受控制。

众所周知，地表和大气是工程热力学分析的环境，即，所研究的任何工程对象都处在其周围环境中。为使数据具有可比性，热力学分析必须建立在某一标准环境状态之上。通常，参考环境的标准压力为1bar（或1atm），但标准环境的温度因不同目的而不同。地球表面的平均温度为15°C，但对于大多数热力学分析，标准环境（即参考环境）的温度通常为25°C（298.15K）。针对与环境进行物质交换的热力学体系，热力学分析的标准环境还应包括一组标准浓度（标准成分构成）的参考物质。参考物质通常分为三类：大气中的气体成分、岩石圈中的固体物质以及海洋中的离子和非离子物质^{[Moran, 1998]}。这些标准环境条件与实际环境参数的平均值密切相关。

在热力学分析中，要求热力学环境具有不变性，不受所研究对象的影响。也就是说，它应该具有无穷大的热容量，它吸收或释放有限的热量，而不会发生任何温度变化。有时，人们会把这一环境称为热库(能量库)、物质库。在实践中，大型水体如海洋、河流及大气空气可以视为热库，因为它们具有很大的存热能力或质量[Yunus, 2002]。

事实上，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℃

这里, 5.26×10¹⁸kg 和1.005 kJkg^-1°C^-1 分别为地球大气的质量和比热容(Marshall and Plumb, 2007)。

这表明大气的热容足够大，因此化石燃料燃烧引起的大气温度变化相当有限。海洋约占地表面积的70%。海水的热容量是大气的1000倍。因此，地表热容量不能被忽略。说到这里，有一个自然的气象学现象值得一提：在寒冷的冬天，只有离地表距离不大的草和叶子的上表面结霜或结露。一个简单的事实是它们的热容量真的非常小。再因为它们是非金属的，所以它们的上表面和下表面之间的导热系数也很小，结果是它们的上表面可以迅速辐射冷却，并吸引水蒸气在其上结霜或结露。而其下表面因地表热辐射的作用，水蒸汽没有结霜或结露的条件。因此，这一自然气象学现象清楚地表明，热容小的物体的上表面更容易冷却，也表明地球表面的热容起着重要作用。

另外，雾凇也是严寒冬季一个特有的自然现象。我们看到的是，水蒸汽凝华在离地表有一定距离的细小枝条上，而粗壮的树干上往往没有，这显然也是因为其热容量很小的缘故。与此同时，地表热辐射的作用甚微。

至此，我们可以清楚地看出，诺奖得主真锅淑郎做“地表热容为零”的假设，应该是热力学认知上的错误，属于没有过心思考的疏忽。