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热的性质是解答全球变暖物理机制的关键

已有 754 次阅读 2024-5-31 19:28 |个人分类:气候变化|系统分类:观点评述

  自然(Nature)20243月发表了题为气候模型无法解释2023年的巨大热量异常——我们可能处于未知领域(Climate models can’t explain 2023’s huge heat anomaly – we could be in uncharted territory)”的文章,作者是美国国家航空航天局戈达德空间研究所所长Schmidt G先生。

文章说作者每年年初都会用气候模型进行预测,但实际的陆地和海面的平均温度每月都比以前的记录高出0.2°C”这个突然的热峰值大大超过了基于过去观测的统计气候模型的预测。并且,作者还提出了如果异常现象在8月前不能稳定下来,世界将处于未知领域的担忧。

不仅如此,还存在气候变暖的历史数据不能为气候模型所解释的问题。事实上,如果气候模型是正确的,就不会出现IPCC第三次评估报告所陈述的情况:自从20世纪50年代以来,全天最高和最低气温测量已覆盖50%以上的全球陆地面积,平均日平均最低气温的增温速率是最高气温的2倍,全天温度(DTR)范围减小0.8℃(Houghton, et al., 2002)因为二氧化碳的温室效应源于对红外辐射能的吸收,不受昼夜更替的影响,受昼夜更替直接影响的是水的蒸发与凝结。

问题在于,水蒸汽凝结成云主要发生在一定的高空,潜热如何影响地表气温成为关键。文献显示,1965PotterHoffman(1968)在探测水分子结构时意外地发现水蒸汽凝结以辐射方式释放潜热[13]Perel’manTatartchenko (2008)在晶体凝固过程中也探测到相变辐射的存在[14],理论分析也揭示水蒸汽凝结潜热只能以辐射方式释放[15, 16],这说明相变辐射是物质固有热力学性质,很好地解释了全球性气候变暖表现为夜间增温幅度更大的原因。

另外,大气无线电背景噪声强度表现为夜间高于白天及夏季高于冬季[17],海洋高于陆地[18]及低纬度高于高纬度[19]等,与地气系统中水蒸汽凝结的辐射特性高度吻合,也非常说明问题。水蒸汽凝结辐射特性还科学地解释了大气无线电背景噪声的来源问题。

著名的爱因斯坦能量方程E=mc2告诉我们质量可以转化为能量,原子弹和氢弹就是证明。如果我们再仔细考察一下这个方程本身,完全可以理解其背后的物理意义,那就是没有静止质量的能量就是辐射能。进一步地,在热力学分析中,经过热量传递与交换过程之后,所研究体系的物质质量保持不变,这也相当于承认了热能是没有静止质量的能量,也就是说,热能不是独立的能量形式。

太阳上发生的是核聚变,但其辐射能中不少于40%的份额处于红外波段。原子能电站的核反应堆内发生的是核裂变。之所以将核反应置于反应堆内部,是因为需要使核裂变产生的瞬发中子、γ射线和x射线等高频辐射反复衰变,最终转化为与长波辐射对应的热能输出而得以利用。地球则因其温度低而对外发射热辐射,波长明显大于太阳辐射频谱。不同燃料燃烧的火焰颜色大有不同,但其释放能量的绝大部分处于红外波段。结合爱氏能量方程,我们可以说热能是波长主要处于红外的辐射能。

全球变暖归属气候学范畴,当然也归属更为基础的热学范畴。回顾热学发展史,人类对热的认识经历了源自古希腊的热质说,直至1840’s年代焦耳测定热功当量后,热才被确定为是一种能量,热力学第一定律也自此被公认,标志着热学迈向理论化和科学化。现在的问题是,要解答Schimdt先生对气候模型的疑惑,就必须澄清热的性质。

伟大的数学家和传热学先驱傅里叶(1842)在其《热的解析理论》专著中说热仅仅以辐射的方式传导,尽管他支持热是一种元素的热质说。由于固体和液体中的热量是否通过辐射传递无法证实,因此他的观点没有引起什么反响,更没有得到承认。但我们不得不承认,傅里叶的这一说法极具想象力,因为他把辐射视为热的一种属性。

在许多传热学书籍中,我们可以看到类似如下介绍热辐射机理的说法:热辐射的发射源于发射物质的量子化内能状态的随机波动。一旦这股能量被辐射,它就以电磁波的形式传播。如果该辐射波遇到物质,它可能会失去部分能量,并使接收物质的内能增加(Howell等人,2020)。根据这一说法,热辐射过程中存在电磁波与物质内能之间的相互转化。如果热能是独立的能量形式,电磁波与物质内能之间是如何相互转化的则需要加以科学的说明,毕竟将电能转变成微波都需要人造的微波发生器,这反证电磁波与物质内能属于同一性质的能量。

另外,根据这一说法,热辐射似乎只发生在物质表面且由量子化内能的随机波动激发,但问题在于,没有任何明确的机制会限制物质内发生量子化内能的随机波动。事实上,来自MITChen Gang团队探测了纳米级间距的辐射强度,发现此时的辐射强度是黑体的1000余倍,突破了黑体辐射的Plank’s Law,这至少说明红外辐射波长(>0.76μm)不是问题。众所周知,电子绕着质子运动会形成相应的电磁场,当两个固体表面如此之接近,两物体内部的电磁场会出现相干作用,从而加强热的辐射传导。因此,傅里叶关于热仅以辐射方式传递的说法完全是可能的。

根据维恩位移定律(Wien’s Displacement Law),物质最大单色辐射力的频率(电磁波的能级水平)与其绝对温度成正比,根据热力学,物质内能的多少亦与温度成正比,而温度的高低也代表着内能的能级水平,温度越高,其能级越高。更重要的是,物质的比内能是单位质量该物质的热力学性质,而不是内能本身的性质,事实上,内能与电磁波一样,都是没有内禀静止质量的能量。因此,可以说辐射能与物质内能的关系是同一物理对象的不同表现形态,属于一体两面。热不是独立的能量形式,它是储存于物质之中的辐射能。基于上述分析,水蒸汽凝结以辐射方式释放潜热是热的自然属性。

地球表面70%被海洋覆盖。根据热力学,海水蒸发是对地表的冷却,正如酒精棉球擦拭皮肤的效果。由于水蒸汽凝结潜热的辐射释放多发生在夜间,且海洋表面上的空气相对湿度通常高于陆地,因此,海洋上的昼夜温差必然显著小于陆地。如果发生全球性气候变暖,则海洋表面的温度必然升高,基于热力学平衡,对应的海水蒸发量必然增大,这必然导致降水量的增大及昼夜温差的减小(即夜间增温幅度更大)。这时候,陆地的降水量理应随之增大,空气相对湿度也会因此增大,其气候变暖特性极有可能表现出与海洋气候的高度相关性,正如IPCC第三次报告所描述的气候变暖特性,仅气候干燥及降水量减少的地方除外。

地球气候的冷暖呈年度周期性变化,数据显示,从冬到夏,南北半球都存在热带风暴增多,降水量增大,空气湿度增大,昼夜温差相应减小的情况。事实上,从高纬度到赤道的地理性气候变暖也存在相似的情况,那就是降水量增大,空气湿度增大,昼夜温差减小的情况。二氧化碳的作用则由于其在空气中的份额过小而无从显现。

问题在于,随着气候变暖的发展,空气中的水份增多,降水量增大,这极可能会增加降水集中的倾向,表现为极端气候现象增多,而降水的集中化则会减缓昼夜温差进一步减小的趋势,这在陆地、尤其是干旱少雨的地区会更加明显。

地球冷暖变化首先取决于太阳辐射的变化。由于水对太阳辐射能之红外部分的吸收能力远高于二氧化碳,太阳辐射变化的影响可以通过水及水蒸汽的相变作用于地球气候。2024510-12日的太阳风暴,连北京都能肉眼看见紫色的北极光,这直接造成北半球大部分地方持续多日的高温天气。

根据美国国家海洋和大气管理局(NOAA)2024516日举行的月度美国全球气候报告媒体电话会议记录(https://www.noaa.gov/sites/default/files/2024-05/April-2024-media-US-climate-call-transcript-508.pdf):从今年1-4月,全美平均气温43°F华氏度,比长期平均值高3.8°F华氏度;降水量平均10.95英寸,比长期平均值高1.48英寸,与本文分析非常的吻合。如同其他涉变暖问题的文献,此次会议记录也未提供昼夜温差(DTR)变化的数据,这非常的遗憾。需要指出的是,我曾经发现IPCC官方网站故意篡改既成的第三次评估报告DTR数据的事实,这背后似乎有一种势力在极力阻扰气候变暖物理机制的探究。在这种情况下,气候模型不可能能真实反映气候变化的规律,因而不可能对气候变暖的趋势做出准确的预测。至此可以下结论:如果不能正确认识水蒸汽凝结辐射这一物理机制,不仅Schmidt的疑惑不可能有正确的答案,甚至还会有新的疑惑不断产生。

热辐射是辐射的一种形式,根本上讲也可归属于电磁场问题,从这个视角进行认识,应该是一个新的方向。比如,相变是物质的固有热力学性质,不同物质的相变温度不同,如果从辐射视角进行其热物理量场的探测,对于更深刻、更全面的认识物质的性质具有重要意义,……



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