注：本文在第二届气候变化科学大会上散发，欢迎批评指正。

气候变暖物理机制的真相

周少祥

华北电力大学能源动力与机械工程学院，Email: zsx@ncepu.edu.cn

1    前言

IPCC第四次评估报告(AR4)称“云反馈视为气候敏感性评估不确定性的最大来源”(英文原文是“At present, cloud feedbacks remain the largest source of uncertainty in climate sensitivity estimates.”)。第六次评估报告(AR6)总结说“AR5把昼夜温度范围(DTR)确认为本质性的知识破口”(英文原文是“The AR5 identified diurnal temperature range (DTR) as a substantial knowledge gap.”)。自然(Nature)杂志2024年3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。

中国科学院组织编撰的《2009年科学发展报告》中收录了时任中国科学院副院长、科学院院士丁仲礼先生的文章“试论应对气候变化中的八个核心问题”（丁仲礼，2009）。丁仲礼院士对太阳活动变化对气候变化的影响有非常明确的肯定：“根据观察资料，100多年前，地球处在小冰期，太阳活动强度为最低值，其后，太阳活动曲线呈波动状态，其中20世纪30、40年代为高值，60、70年代为低值，80年代后又有升高，这个特征同100年来的温度曲线高度相关，且其相关性远好于CO₂曲线，因为CO₂曲线没有这个‘波动性’，它只有持续增温的‘趋势性’。这样，可以肯定地说，100多年来0.74℃的增温至少有一部分由太阳活动变化造成。但这个比例有多大？目前还没有一致的结论”。

经典理论认为人为二氧化碳排放导致了全球气候变暖，然而在日常生活中，人们却丝毫不能直观地感受到二氧化碳的存在及作用，这委实让人匪夷所思。事实上，尽管工业化以来大气中的CO₂浓度增加了很多，但时至今日，它仍然只是大气中的微量气体，仅占空气体积浓度的约0.04% (400ppm_v)，而一个微量的东西竟然能够起到主导作用，也委实与人类的基本常识相悖。

日常生活中，人们能直观感受到的天气变化和气候变化是水及水蒸汽的变化及其影响，而经典理论却将水汽变化排除在全球气候变暖的原因之外，理由是“水循环的动态平衡和自然调节作用(百度AI智能回答)”。类似这样一些的话术，把太阳辐射的季节变化等对水汽变化的驱动及相关物理机制隐藏了起来，导致大量的文献都在论述二氧化碳的影响，相比之下，像丁仲礼院士论文那样论述太阳活动变化影响的文章少很多。事实上，如果没有太阳辐射的季节变化，就没有季节性水汽变化，也就没有季节性气候变化。正是由于对水汽变化的影响及背后的物理机制缺乏重视，这才导致上述无法解释的问题。本文的目的谨在于论述气候变暖物理机制的真相。

2    碳排放导致气候变暖理论存在根本性缺陷

“温室”源自民众的生产生活实践，而温室效应概念的由来却已无从考证。1827年傅立叶(Joseph Fourier)所撰 ‘Mémoire sur les températures du globe terrestre et des espaces planétaires’一文是反复被引用的第一篇关于“大气温室效应”的参考文献。而美国的尤尼斯·富特(Eunice Foote)女士和爱尔兰物理学家约翰·廷德尔(John Tyndall)于1850年代先后证实大气中的水蒸汽和二氧化碳等具有红外吸收能力，从此，大气具有温室效应的说法得到广泛承认。1896年瑞典科学家、诺奖获得者Svante Arrhenius发表了关于二氧化碳对大气温度影响的文章，认为化石燃料燃烧会导致全球变暖(Arrhenius, 1896)。自此，碳排放导致全球变暖的大气温室效应机制得到广泛的承认。

关于温室效应，联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)第四次报告(AR4)(Pachauri，2008)给出的定义是：温室气体有效地吸收地球表面、大气自身(由于相同的气体)和云散射的热红外辐射。大气辐射朝所有方向散射，包括向地球表面的散射。温室气体将热量俘获在地表―对流层系统内。这称为“温室效应”。

这里，我们将基于这一温室效应的定义、把全球变暖的原因归咎为人为二氧化碳排放的理论称为经典温室效应理论。毋庸讳言，上述温室效应的定义是最具权威的说法了。但是，名曰“温室”效应，说的却是大气中的某些气体对红外的吸收与再辐射，并没有真实的温室存在，如此定义温室效应存在着名不符实的问题。

如果我们追溯及总结各种文献关于温室效应原始定义及解释，不难发现“温室效应”原本说的是玻璃暖房的致热效应，源于玻璃对辐射能的选择性，它允许波长较短的阳光进入，反射室内长波辐射。后来有学者补充说，太阳辐射能被温室内的植物、土壤和其他物体吸收，这些能量转化为加热温室的热量。另外，玻璃还隔绝了温室内外的空气对流，从而保持室内较高的温度(李万彪，2010)。温室效应是这些机制的综合作用，但其中并没有提及所谓的温室气体对红外的吸收与再辐射，与IPCC报告定义的温室效应概念完全不同。针对这一问题，有学者给予注释说：沿用温室效应的概念属于“用词不当”，英文原文：“The term ‘greenhouse effect’ is a misnomer (Andrews, 2010).”。出现这一现象在科学知识体系中实属罕见，也意味着经典温室效应理论存在着基础性问题。

众所周知，大气的主体是氮气和氧气(N₂和O₂)，二者共占干空气约99%的体积浓度。它们并不吸收及发射红外(Andrews, 2010)，因此，单纯的温室气体红外吸收与再辐射无法使大气整体致热升温，无法“兑现”二氧化碳的温室效应，这是经典理论存在的根本性缺陷。

3   地表气温影响因素的热力学定性分析

众所周知，水蒸发是一种制冷效应，正如酒精棉球在人体皮肤上所产生的制冷效应，这是热力学基本常识。目前广泛采用的空调制冷技术，应用的就是这一原理。地球表面的70%被海洋覆盖，一个简单的事实是地球表面气温主要决定于太阳辐射作用下的海洋蒸发。换句话讲，陆地表面气温不具有“全球代表性”。但是，人类对气温的测量是从陆地开始的，也主要集中在陆地之上，但是，如果仅仅基于陆地的数据，指称全球气候变暖，那必然是缺乏科学严谨性的结论。

图1      全球卫星云图

Cited from: http://www.globalwarmingart.com/wiki/File:Global_Surface_Map_with_Clouds_jpg

全球气候有两种典型，拉尼娜(La Niña)现象和厄尔尼诺(El Niño)现象。拉尼娜(La Niña)现象与赤道太平洋正常海水温度偏低对应，厄尔尼诺(El Niño)现象则对应着正常海水温度偏高。因此，这两种气候类型都是由海洋决定的。1997年-1998年的厄尔尼诺现象，直接左右了全球气候，说明海洋的影响是决定性的。这与IPCC第四次报告(AR4)的陈述一致：“云量变化决定于厄尔尼诺现象，陆地昼夜温度范围(DTR)的广泛(但不是全部)减小与云量的增加一致”。昼夜温度范围(DTR)是全天最高温度和最低温度之差，也称日较差。这段文字告诉我们，云量变化与气候变化直接相关。水汽凝结成云，这意味着降水将会来临；云量增加意味着更多水汽凝结，更多潜热被释放，凝结潜热是地气系统重要的热源。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, 2001)”。然而，尽管潜热量巨大、尽管水汽凝结（或云形成）是全球性的、尽管云层覆盖了40% -60%的地表面积(如图1所示)，但水蒸汽凝结潜热的影响范围从未被关注，潜热本身甚至被排斥在IPCC定义的“温室效应”之外，这应该是导致“云反馈不确定性”的根本原因。

海洋覆盖了地球表面的70%，海水蒸发制冷是地表气温的决定性影响因素，这是基于热力学理论的基本结论。

4   全球气候变暖判别基准存在的问题

地球足够大，南北极、高山冰川、海洋、沙漠及原始森林，还有春夏秋冬的不断交替，温度差别非常大。在这种条件下，全球气候变暖与否的基准如何确定，本身就是一个科学问题。从春夏秋冬之一年一度气候冷暖变化的周期性角度，只有大气温度明显超过历史峰值的变暖，才能叫变暖，而目前各种天气预报所报道的气温多只在“多少年不遇”的概念之下，从这个角度讲还根本不能说气候变暖了。比如，2019年7月6日许多媒体以“全球气候变暖——拉萨60余年来首次入夏”为题报道了西藏气候变暖的新闻，而这一报道就存在这一问题。

图2    全球平均气温变化图(注：从Figure FAQ 3.1 截取)

评判气候是否变暖，地表平均气温应该是一个重要的参照基准，这一数值应该具有科学性、严谨性和可靠性。然而，我们在大气物理学专著及教科书中所看到的地表平均气温是15°C（盛裴轩，2003；Marshall，2007），但是，IPCC第四次评估报告（AR4）依据的却是14°C(参见图2)。这是怎么回事？问题的关键还在于，IPCC这份报告给出的近百余年来的气候变暖值只有0.74°C±0.18°C，不足1°C，小于这两个基数之差，这意味着IPCC所指称的整个“气候变暖的进程”都可能处在平均温度之下，属于恢复性变暖，这样的变暖应该没有什么可怕的。更为重要的是，无论是15°C，还是14°C，都缺乏科学性、严谨性和可靠性。因为从统计学的角度，地球平均地表气温为小数的可能性更大。

5   地球气候变化的历史及自然因素的作用

地球气候的历史并不是一成不变的，它经历过远古洪荒与温暖，也存在极度的严寒甚至冰河期气候。人类生存于地球陆地，所能观察到的气候变化主要是陆地的情况。由于全球人口及其分布的不均匀性，人所观察的气候变化也只能是陆地局地的一些情况，即人所观察到的气候变化并不能代表地球的全貌。但历史地看，一地的气候记录在一定程度上可以反映地球气候变化的基本特性及规律，尽管不同地理位置的区域气候特性存在很大差别。

图3   中国5000年气候变化情况

图3所示的5000年中国气候变化曲线是我国著名地理学家竺可桢先生根据全国范围的物候和历史文献记载等推演出来的，具有很高的可信度及区域代表性。图中显示，在近五千年中的最初二千年，即从仰韶文化到安阳殷墟，大部分时间的年平均温度高于现在2°C左右。一月温度大约比现在高3°C~5°C。在那以后，有一系列的上下摆动，其最低温度在公元前1000年、公元400年、1200年和1700年，摆动的范围为1-2℃。在每一个四百至八百年的期间里，可以分出五十至一百年为周期的小循环，温度升降范围是0.5-1℃（竺可桢，1972）。

图4  1905-2001中国近百年平均地表气温变化

图3还展示了挪威雪线变化图，雪线越高，对应大气温度更高。如果以挪威雪线代表欧洲气候气候变化，那么欧洲的气候变化大致与中国的情况类似，尽管中国气候变化曲线更为复杂。如果以图3所示的中国气候和挪威雪线变化代表北半球气候变化，我们不难看出，公元前6000多年以前，地球处于冰河期，之后地球有很长的温暖期。与此相应的是，公元前三千年前后是人类文明的快速发展期，五千年华夏文明的发祥史，与地球气候的温暖相当吻合。而这一长达数千年的温暖期与人为二氧化碳的排放毫无关系，说明地球气候的冷暖还存在不同于经典温室效应理论的物理机制。如果仅依据图3所示的挪威雪线，目前所称的全球气候变暖起自1700年前后，即始于工业革命之前，并不是工业化的碳排放增加所致，是地球气温从严寒气候中的自然恢复过程。

中国和美国是纬度接近的北半球大国，在全球气候变化的历史中，中美两国的数据具有很高的代表性。关于中国气候变化，2007年《沙漠与绿洲》杂志发表了题为“中国气候变化的检测与预估”的文章(丁一汇等，2007)，文章给出了1905年-2001年我国近百年平均地表气温变化图，如图4示。文章指出，与全球一致，中国气候也是变暖的，如图中虚线所示。然而，针对这一近百年的中国气候变化曲线，有学者认为存在明显的周期性(温景嵩等，2010)。显然，在气候变暖特性的认识上存在明显的不同。同期，美国的气候变化如图5所示。

图5     美国气温变化                            图6     全球温度变化

需要指出的是，中国科学院组织编撰的《2009年科学发展报告》中收录了时任中国科学院副院长、科学院院士丁仲礼先生的文章——“试论应对气候变化中的八个核心问题”（丁仲礼，2009）。丁仲礼院士对太阳活动变化对气候变化的影响有非常明确的肯定：“根据观察资料，100多年前，地球处在小冰期，太阳活动强度为最低值，其后，太阳活动曲线呈波动状态，其中20世纪30、40年代为高值，60、70年代为低值，80年代后又有升高，这个特征同100年来的温度曲线高度相关，且其相关性远好于CO₂曲线，因为CO₂曲线没有这个‘波动性’，它只有持续增温的‘趋势性’。这样，可以肯定地说，100多年来0.74℃的增温至少有一部分由太阳活动变化造成。但这个比例有多大？目前还没有一致的结论”。事实上，如果将丁仲礼院士文章关于太阳活动变化的时序与图4和图5进行比对，不难发现它们之间相当的吻合。综合分析，不难发现中美气候变化与太阳活动变化之间有很好的契合度，这说明了气候变暖进程中自然因素的存在。图6与图2所示曲线的图形高度近似。

根据NASA网站，“2024年5月已被证明是一个特别的太阳风暴月。在5月的第一个完整星期里，一连串的大型太阳耀斑和日冕物质抛射（CME）向地球发射了带电粒子和磁场云，形成了20年来到达地球的最强太阳风暴，可能也是过去500年来有记录以来最强的极光之一。”就连在远离北极的北京(40°N)，人们都能肉眼看见紫色的北极光，其后，北半球许多地方出现了持续多日的高温天气。根据太阳辐射观察，太阳黑子活动呈11年周期变化。这些现象说明太阳活动变化频繁，相应的太阳辐射理应随之变化。太阳辐射能中，红外占40%以上，而太阳黑子活动至少会影响到太阳辐射的红外部分，因此，自然因素在气候变化中的作用不能排除。

6   关于全球气候变暖曲线的疑问

图5是IPCC报告引用的百余年来全球气候变暖图。与同期中美两国的气候变化比较，我们不难看出，中美两国的气候变化更像周期性的，温度变化幅度也相近，与丁仲礼院士文章介绍的同期太阳活动有很大的相关性。但是，图5中的全球变暖图几乎呈单调增长，完全没有反映太阳活动变化的影响。联系到2009年曝出的气候门数据造假事件，这一变暖曲线的得出过程令人生疑。因为从中美两国的数据，无论如何也不可能得出图5所示的全球气候变暖图。

7   气候变暖物理机制的真相

理论分析与科学实验已证明水蒸汽凝结成云的潜热以辐射方式释放，在大气温室效应中占主导地位，它决定了全球变暖表现为且必然表现为夜间增温幅度更大，仅降水量减少及干旱地区除外。显然，大气中存在着超越经典理论的物理机制，对经典理论来讲是一种颠覆。

1965年Potter和Hoffman(1968)在探测水分子结构时意外地发现了水蒸汽凝结以辐射方式释放潜热，这是具有历史意义的科学发现。但由于专业分科以及利益集团的阻碍等原因，使这一发现的科学价值迄今仍处于被埋没的状态。笔者之所以看到他们的文章，是想知道笔者是不是提出水蒸汽凝结以辐射方式释放潜热的全球第一人，2005年笔者基于猜想及热力学分析得出了相同的结论。2008年笔者所写“对云滴凝结增长方程的质疑”一文在中文期刊《沙漠与绿洲气象》杂志上发表，这应该是全球第一篇从理论上质疑经典理论的学术文章。另外，Perel'man和Tatartchenko(2008)在熔融物质凝固结晶时也探测到类似的相变辐射特性，证实了Potter和Hoffman的结论。事实上，大气低频无线电背景噪声强度表现为夜间高于白天、海洋高于陆地、夏季高于冬季等，与地气系统中水蒸汽凝结的辐射特性非常吻合。根据辐射频谱的分布规律，无线电噪声应该是大气中水蒸汽凝结辐射的低频部分。频率越低，在大气中衰减越小，传播距离越远，加之降水具有全球性，因而低频无线电噪声在大气中具有背景性。也就是说，水蒸汽凝结辐射特性揭示了大气无线电噪声来源的科学谜团，具有非常重要的科学价值。

水蒸汽凝结潜热以辐射方式释放，这并不容易被理解。但在日常生活中，人们就可以体验到这一物理机制的作用，只不过不清楚其中的物理机制而已。我们知道，在炎热的夏季，每逢暴雨临近，天气往往异常闷热。这是因为，降雨是高空的低温降水云逐步降落的过程，而这时的下层大气中往往含有很高比重的水蒸汽，即空气很潮湿，于是，降水过程会出现下层大气中的水蒸汽在云滴(冰晶或水滴)上的凝结。由于潜热以辐射方式释放，因此大气中的热辐射能量随之增加，从而导致闷热天气的形成。又由于辐射传播速度远高于降水的行进速度，于是会以“闷热的体感”是向人们预告暴雨即将来临。

众所周知，降水量及降水时序、云量及云层覆盖时序以及与之相关的空气湿度存在相当程度的偶然性，加之水蒸汽凝结辐射特性不被业界掌握，以至于全球变暖背景下昼夜温度范围(DTR)的变化无法解释，于是IPCC第五次评估报告(AR5)把DTR称为本质性的知识破口(英文原文是“The AR5 identified diurnal temperature range (DTR) as a substantial knowledge gap.”)，IPCC第四次报告(AR4)把云反馈视为气候敏感性评估不确定性的最大来源(“At present, cloud feedbacks remain the largest source of uncertainty in climate sensitivity estimates.”)。

由于地表的70%被海洋覆盖，如果发生全球性变暖，海水表面温度必然升高，海水蒸发量及降水量必然随之增大。由于水蒸汽凝结以辐射方式释放潜热且主要发生在夜间，因此从全球视角，全球变暖必然表现为夜间增温幅度更大。事实上，在IPCC的历次报告及许多学术文献都报告了全球变暖背景下DTR减小的众多事实。但由于DTR还受地理环境的影响，比如海洋性气候、大陆性气候等等，这导致了一些地方比如干旱少雨地区的DTR随变暖增大。更由于几乎所有的DTR监测都在陆地，这才导致DTR的变化特性分析存在着极大的局限性。

另外，需要特别说明的是，受人类活动影响最大最直接的城市热岛效应也主要发生在夜间。事实上，城市既是能源消费中心，也是水资源消费中心，二者均会导致大量水蒸汽排入大气，它们会在夜间凝结辐射放热。所有这些，经典理论都无法做出合理的解释。

8    水蒸汽凝结以辐射方式释放潜热的理论证明

——水蒸汽凝结、云滴长大热传导方程的基础热力学错误分析

凝结在热力学上是一个等温等压过程，是气化过程的逆过程，是一个熵减过程。由于工程上进行的凝结多在密闭的容器中进行，潜热是如何释放的显得并不重要，也就没有得到关注。但是，在地球大气这样的开放体系，水汽凝结的潜热释放方式就显得非常重要了。

IPCC第三次报告(TAR)告诉我们，大气中水蒸汽凝结产生的“垂直方向的平均加热量78W/m²”，而我国民用建筑节能设计标准(JGJ26-95)规定的耗热量指标只有20~22.7W/m²。然而让人匪夷所思的是，如此巨大的加热量却并未计入大气温室效应之中。为什么会如此？大气物理学的理论是如何讨论这一问题的？是我们应该给予关注的问题。

事实上，为了推导水汽凝结的云滴长大过程，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)。

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。

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（对比一下真锅淑郎气候模型将地表热容量假设为0的情况），接收热物体散热量之后的环境温度(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（周少祥，2008；张学文和周少祥，2010）。

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，这是最让人匪夷所思的地方。

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，984mm/yr年度平均降水量所释放的潜热量为

0.984×(4×3.14×6370000²)×1000×2500=1.254×10²¹kJ

式中，地球半径6370km，水的密度1000kg/m³，0℃水蒸汽的凝结潜热2500kJ/kg。如果这股热量全部被大气吸收，则大气整体温升为

式中，5.26×10¹⁸kg为大气质量和1.004kJ/(℃·kg)为空气比热。

显然这不是事实，说明牛顿冷却定律不能用于大气中水蒸汽凝结过程。反过来即是说，为了式(1)的建立，默认大气环境温度保持不变是错误的。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”的假设不成立。

另外，虽然式(1)给出的是水蒸汽凝结量随时间变化的函数关系，但是这一凝结速率其实是无法确定的物理量，因为大气温度也随时间变化，云滴表面温度自然也是随时间变化的，且无法测定，这意味着式(1)无法通过实验验证。事实上，我们从未见到过任何的实测数据对式(1)的支撑。反观牛顿冷却定律，任何热物体的冷却速率都是可以测定的物理量。综上所述，式(1)不能用于描述大气中云滴长大的热扩散过程。

人类生活在地球表面，人们考察大气温室效应和全球气候变暖，主要是为了研究其对地表气温的影响。众所周知，水蒸汽在高空凝结，如果凝结潜热仅限于传导到其周围的大气，自然让人觉得对地表气温没有影响。于是乎，大气中水蒸汽凝结的热量自然不用纳入大气温室效应的范畴，显然，这是错误的。

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《BP世界能源统计年鉴2020》，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

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全球年度降水量对应的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；Mason，1975；Manton，1983)。

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7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8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7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(张学文和周少祥，2010；周少祥，2008)，这意味着水蒸汽凝结潜热可以影响更大的范围。

图7  大气物理学中的水蒸汽凝结过程                  图8  传热学中的水蒸汽凝结过程

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。

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。但是，问题却并未彻底解决，因为大气中的氮气和氧气不吸收红外，水蒸汽凝结辐射释放的潜热如何使大气整体致热升温仍然是绕不过去的核心问题。

事实上，大气是多元体系，所凝结成的云滴也是多元体系。根据热力学原理，水蒸汽凝结应满足Gibbs相平衡条件（曾丹苓，1980）：云滴与大气之间的温度和压力相等，大气各气体成分的化学势与云滴中相应成分的化学势相等。即，

对于水蒸汽，即（a代表空气，l代表云滴）。热力学第二定律告诉我们，热只能自发地从高温向低温传递；物质只能由化学势高的地方向化学势低的地方扩散等。显然，如果云滴表面温度高于周围大气温度，则所能进行的过程不是水蒸汽凝结，而是水蒸汽蒸发。

事实上，水蒸汽从地表蒸发，在底层空气中升腾到高空凝结（华）成云，我们虽然无法看清水汽升腾及凝结过程，但是我们可以清晰地看见云在天空漂浮、移动。水蒸汽的升腾会伴随部分空气随之向上迁移，水蒸汽分子与周围的空气是相互接触的，根据传热学，它们的温度应近乎于相等。同时，越往高空，空气越稀薄，通过空气进行热传导的条件越差。并且湿空气上升过程中，整体会向外辐射热量而降温，达到饱和温度后水蒸汽会凝结及凝华，水蒸汽的凝结和凝华，体积急剧降低会吸引周围空气，当然，更多的是吸引低层大气中的水蒸汽进一步向上迁移，从而达到更高的地方。地表蒸发的水蒸汽越多，这一过程越强烈，这与赤道地区的对流层高度显著高于极地地区（盛裴轩，2003）相对应。

这是水蒸汽蒸发、上升迁移并凝结及凝华的热力学现象。但是在这一热力学过程中，一个重要热力学过程，即水蒸汽凝结及凝华的潜热如何释放问题，是我们不能不面对的问题。很清晰的一点是，水蒸汽自地表被蒸发，其温度就与周围的空气温度相等，伴随着水蒸汽的升腾或向上迁移，其与周围的空气“紧密”接触，不可能出现温差，也就不可能出现与周围空气的热传导。水蒸汽在一定高程的确凝结（华）了，潜热也一定释放出去了，但是如何释放出去的呢？显然，辐射成为唯一可能(周少祥，2008；张学文，周少祥，2010)。

1968年，Potter和Hoffman的实验研究揭示了水蒸汽凝结的辐射特性（Potter和Hoffman，1968），一些学者的研究也印证了这一观点（Tatartchenko，2010；2011；Wang，2011）。众所周知，黑体辐射能力最大，但在1.4μm~4.0μm波段，Potter和Hoffman所做实验条件下的水蒸汽凝结辐射强度却高于黑体辐射2~100倍，多出的能量从何而来，答案只能是因为水蒸汽凝结潜热以辐射方式释放。在Tatartchenko等人的文章中，把这一现象称为相变发光。

另外，存在于全球各地的极低频(ELF)和特低频无线电波被发现与水蒸汽凝结特性高度相关：噪声水平夏季高于冬季（Harwood，1958；Horner，1956）；夜间高于白天（Horner，1956）；海洋高于陆地（Bannister，1984）；太阳落山时平均值高于早晨（Horner，1956）；在一天的任何时间，平均噪声随频率增大而减小，一天中最低噪声水平出现在早晨，并且较频率噪声的昼夜变化较大（Horner，1956）。在低频段，热带地区的大气无限大噪声通常比温带地区有更高的脉冲特性（Ibuku，1966），这些都是非常有价值的自然现象，显示大气无线电噪声可能源于大气中的水蒸汽凝结及天气变化。换句话说，水蒸汽凝结相变辐射是真实的。根据维恩位移定律（杨世铭，1980），相变过程可能也存在最大单色辐射力的波长随（凝结）温度变化的特性，由于纯流体在其临界点处表面张力为0，这时物质的微观性质有重要变化，临界点温度上下的相变特性完全不同，因此开展相变辐射特性研究应该是非常有价值的科学问题。

如果水蒸汽凝结潜热通过辐射方式释放，那么大气环境中的水蒸汽凝结辐射必然通过辐射、吸收、再辐射的方式对地表气温产生影响，因此，水蒸汽凝结辐射理应是大气温室效应的重要组成部分。不仅如此，IPCC报告给出78W/m²的加热量只是按降水量计算的均值。而事实上，大气中的水滴和冰晶（云滴及云层）都能吸收太阳及地表辐射能，这些辐射能的吸收会促成水的蒸发或升华，对应云层的减少及消失，而云层的消失是肉眼可见的自然现象，只要留心即可见。其间蒸发或升华产生的水蒸汽，在夜间凝结（华）也会辐射释放热量，从而增强这一影响，显然水蒸汽凝结释放的辐射能应该远要大于IPCC报告给出的78W/m²的数值。现在的问题是，目前大气物理学中所论述的大气温室效应中根本没有包括这一项，这是目前的大气温室效应理论的一个核心错误。

9    绝热膨胀成云的基础热力学错误分析

图9   亚声速气流绝热过程要求的装备几何结构

绝热膨胀（含湿绝热膨胀）成云是现有大气物理学（热力学）重要的一个基础性结论（Zdunkowski，2004；盛裴轩，2003；华莱士，2008）。但是根据上文的分析，水蒸汽凝结潜热通过辐射传输，这一结论必然是错误的。为了使这一基础性理论错误得到清晰地认识，这里借用热力学一般关系式的简单推导给予证明（曾丹苓，1980）。

根据热力学一般关系式如下。

                                    dh=Tds+vdp                                                   (4)

对于理想气体，我们有

                                    dh=c_pdT                                                          (5)

如果所研究的热力学过程是绝热膨胀，则ds=0，于是有

                                    c_pdT=vdp                                                        (6)

根据理想气体状态方程，pv=RT，有

                                         dp/p+dv/v=dT/T                                                     (7)

 应用到式(6)，可以得到

                                         dT/T=(v/T)(1/c_p)dp=(R/c_p)(dp/p)                   (8)

根据迈耶(Mayer)公式(c_p-c_v=R)和c_p/c_v=k得

                                         dv/v=(-1/k)(dp/p)= -(v/kRT)dp                             （9）

对于图9所示的稳态绝热膨胀过程，Ac/v=常数，因此，

                                           dA/A+dc/c-dv/v=0                                               (10)

这里，A是气体流过的横截面面积，c是气体通过该界面的流速。

根据热力学第一定律，有

                                      d(c²/2)= -dh= -vdp                                    （11）

即，

                                          dc/c= -(v/c²)dp                                                     (12)

这意味着流速c随压力p的降低而提高。当地声速a=(kRT)^0.5和马赫数M=c/a，式(10)可以写成

                                            dA/A=(1-M²)(vdp/c²)                          （13）

如果气体的重力势能被考虑，上式可以写成

                                        dA/A=(1-M²)(vdp/c²) -(g/c²)dl          （14）

这里l是高度，g是重力加速度。

因为dp <0和dl>0，当M <1，dA<0，这意味着亚声速气流绝热膨胀必须在一个渐缩喷嘴中才能实现。但是，在大气中没有这样的条件，因此绝热膨胀是不可能的。事实上，任何热力学过程必须在特定的结构条件下才能得以实现，没有例外。

尽管现有大气物理学在分析气团上升过程时，说假设为绝热膨胀是一种近似，但是，这一所谓的“近似”，直接导致了对大气温室效应的错误认识，必然使人们误认为水蒸汽凝结潜热的影响范围仅在“气团”内部，因此这一错误不能回避。

事实上，大气中气流上升并不具有整体性、一致性及连续性和稳定性，而是水平方向少有约束、此起彼伏的自然现象，还具有一定的随机性，与“天有不测之风云”对应，并受地表形态及结构等因素影响，即式(13)所描述的与时间无关的物理过程在大气环境中根本不存在。

由于不同气体成分沿高程的密度差是不同的，尤其是水蒸汽，由此造成极地和赤道地区对流层高度的不同，需开展针对性的研究。当然，由于大气中自发进行的气流（分子）运动都是不可逆过程，根据非平衡热力学原理（李如生，1985），流量（分子迁移量）随温度差、压力差和密度差的定量关系不可能通过理论求得，只能通过实验去探索。另外，沿高程的势能及动能影响也需要考虑，开展气流上升过程的热力学分析是非常复杂的。

地气系统的热力学过程与工程热力学分析的研究对象有一个非常不同的情况，那就是重力场的影响。在一般工程热力学研究中，重力场的影响往往可以忽略，而在地气系统的热力学分析中，重力的影响不容忽视。因为，即便完全静止状态下，大气压力、温度及密度都存在明显的高度差，不一定存在相应的热力学过程。大气物理学对沿高程的静压分析与计算就是例证，而通常热力学分析，密度会带来物质的迁移并促使其达到热力学平衡(密度差为0的状态)。

10   经典温室效应理论的错误总结

至此，我们不难理解为什么IPCC第四次评估报告(AR4)称“云反馈仍然是气候敏感性评估之不确定性的最大来源”，以及第五次评估报告(AR6)把昼夜温度范围(DTR)称为本质性知识破口。事实上，云的作用不只是反馈，它与水蒸汽凝结及潜热释放息息相关。

蒸汽凝结（相变过程）辐射使潜热直接传输出去，影响的范围超过了经典理论的认识。并且这一辐射（也属于大气辐射）也应该朝所有方向发射，包括向地球表面发射。因此，这也应该成为一种温室效应。然而，由于经典理论在水蒸汽凝结热传导及绝热膨胀成云上的错误描述，水蒸汽凝结潜热的辐射未纳入大气温室效应之中，这应该是经典理论的重大缺陷。

由于空气的主要成分（N₂, O₂和Ar）不吸收也不发射红外辐射，于是温室气体吸收的红外辐射能（应该包括水蒸汽凝结辐射）不能使整个大气升温。因此，温室气体吸收与再辐射不能定义为大气温室效应的唯一物理机制，即现有大气物理学中关于大气温室效应的物理机制是错误的。

根据传热学，分子之间的碰撞可以传递热量，温室气体吸收的辐射能可以通过这一机制被其他气体分享并升温。因此，真正的大气温室效应应该是温室气体吸收地表红外辐射升温，通过分子之间的碰撞传热，从而使大气中的氮气和氧气等升温的物理机制。

尽管温室气体吸收与再辐射不能直接使整个大气升温，但是对大气温室效应非常重要。因为温室气体的吸收与再辐射相互传递红外辐射能，使这一能量可以在大气系统内滞留更长的时间，因此，温室气体吸收与再辐射是大气系统的热源。

由于气体温升变化用热容量(ρc_p)度量，因此，温室气体的温室效应正比于其热容量。至此，我们要问：一个错误的大气温室效应理论，所得到的关于人为二氧化碳排放导致全球气候变暖的结论是正确的吗？

全球年度平均降水量(984mm/yr，折5.017×10¹⁷kg)对应的潜热量(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，这一数据被广泛认知(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10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10  云的消失(北京2007年10月13日下午16:13-16:15)

11   诺奖获得者真锅淑郎气候模型的基础热力学问题

由于存在根本性缺陷，经典理论的错误会有诸多方面的表现，下面以2021年诺贝尔物理学奖获得者真锅淑郎(Syukuro Manabe)先生的获奖论文(Thermal Equilibrium of the Atmosphere with a Given Distribution of Relative Humidity)为例做一简要说明。该文通过建立地球气候模型及模拟计算，以证明二氧化碳浓度增加会导致全球变暖。诺奖组织评价其工作是现今气候模型的基础，但分析发现该文至少存在三个基础热力学错误。

11.1 “地表热容量为0”假设的基础热力学问题

一是假设“地表热容量为0”。根据热力学，热容量是物质质量与比热的乘积。如果一个物体的热容量为0，任何的热量输入或输出都会导致其温度的变化不受控制，这与地气系统温度在一定范围内的规律性变化完全不符。前文计算了，全球化石燃料燃烧的全部热量只能使整个大气温度升高0.093°C，而海水热容量是大气热容量的1000倍。因此，假设地表热容量为0也缺乏事实基础。事实上，热容量为0，意味着所讨论的东西不在物质范畴，假设地表热容量为0，暴露了气候变化问题的研究上热力学基础的严重缺失。

为便于读者理解热容量的作用及重要性，这里以一个自然气象现象为例子做简要说明：冬季，只有草叶的上表面结露或结霜，下表面则不会。我们知道，草叶的热容量很小，会很快冷却并吸引空气中的水蒸汽在其上表面结露或结霜。其下表面则在地表热辐射的作用下，不结露也不结霜，这表明地表具有巨大的热容量。

热容量的作用还表现在气候的季节性冷暖变化上。事实上，全年气温最高和最低的月份与太阳辐射强度最大和最小的时期并不一致。在北半球，最热的天气总是出现在太阳辐射强度最大的夏至之后的7-8月份，最冷的天气也总是出现在太阳辐射强度最小的冬至之后的1-2月份。如果地表热容量为0，则不会出现这种延迟。显然，“地表热容为0”的假设是基础热力学上的认知错误。

11.2 地表辐射平衡关系的热力学问题

为了计算地球表面的辐射平衡温度()，该文给了如下辐射平衡方程：

式中，和分别为τ时间步长的净太阳辐射和向下长波辐射；σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数。

式(15)是真锅淑郎气候模型的核心能量平衡方程之一。然而，地球表面的70%是海洋，陆地面积仅占30%，海域面积是陆地面积的两倍多，陆地区域的温度不能代表地球表面的温度。事实上，在海水表面与大气之间，不仅存在式(15)所描述的辐射能量平衡关系，还存在着海水蒸发，且耗热量巨大，式(15)未包括海水蒸发，因此不能作为地表气温变化特性的代表。前文的计算表面全球年度降水量对应的潜热量(1.254×10²¹kJ)是年度化石燃料燃烧热量的2500余倍，足以使整体大气升温237℃。图10证实大气中水蒸汽凝结辐射释放的潜热远不止上述数值。如此巨量的热量不考虑，其数值模拟计算结果不可能是正确的。

11.3 给定大气相对湿度分布的热力学问题

为了表征湿空气接近饱和的程度，热力学中定义了相对湿度的概念。

式中，p_w为湿空气中水蒸汽的分压力；p_w.s是湿空气温度下的饱和水蒸汽压力。

事实上，大气的相对湿度随时随地都在变化。然而在Manabe的获奖论文中，却给出了如下相对湿度分布：

式中，h₀和p₀分别为地表相对湿度和大气压力，h₀=0.77；p为某高程的大气压力。

根据式(16)，相对湿度仅取决于“当地”湿空气的水蒸汽分压力和湿空气温度下的饱和水蒸汽压力，与湿空气压力无关。但是在式(17)中，相对湿度却正比于大气（湿空气）压力，与热力学中相对湿度的定义相冲突。

根据式(17)，海拔越高，大气压力越低，相对湿度越低，亦即空气越干燥，这意味着全球的天空都不可能出现云。然而，尽管在天空中看不到云层并不罕见，但总的来说，40%-60%的地球表面被云层覆盖，像珠穆朗玛峰这样的冰川终年积雪。珠穆朗玛峰位于低纬度位置，可以接收足够的太阳辐射能。但由于其海拔超过大气0℃温度线，因此其山顶终年积雪。显然，该文给出的相对湿度分布不符合实际，因此不能作为大气热平衡计算的参考状态。

三是文中给定了沿高程递减的相对湿度分布，并以此作为其大气热平衡计算的参考状态。按此分布，距离地面越高，相对湿度越低，空气越干燥，意味着全球的天空都不会有云。然而，尽管天空无云层的时候并不罕见，但总的来说，地球表面的40%-60%被云层覆盖。珠穆朗玛峰这样的雪山冰川更是终年积雪。而珠穆朗玛峰位于低纬度地区，接受的太阳辐射能显著高于地表平均值。但由于其海拔超过大气0℃温度线，因此其山顶终年积雪。显然，该文给出的相对湿度分布不符合实际，不能作为大气热平衡计算的参考状态。

12   二氧化碳和水蒸汽温室效应能力的比较

在热力学中，克拉贝龙方程经常被用来表示饱和温度和饱和压力的依变关系。

这里，p_s为饱和蒸汽压力，L是蒸发潜热，R_V是水蒸汽气体常数，R_V=R_M/M_n，M_n是水的分子量，R_M是通用气体常数。

大气物理学也常常应用这一物理关系描述大气过程进（Mason，1975；Marshall，2007；David，2010；Manton，1983）。正如克拉贝龙方程所表示的，海水和海平面的大气可以看成处于平衡态，如图11所示。事实上，在它们之间的任何不平衡热力学势差都会导致热传递或物质迁移（如水的蒸发，天气和气候变化的第一步），结果一个新的平衡将趋于建立。

图11    丹麦Horns Rev海上风电场航拍图

Cited from: http://www.flickr.com/photos/vattenfall/with/5908955574/

假定蒸发潜热(L)为常数，海平面上的饱和蒸汽压力可以通过上式的积分得到（Marshall，2007；David，2010；Manton，1983）。

这里，T₀是环境温度。

如果湿空气近似看成理想气体，根据道尔顿分压定律(p=∑p_i)，每一种气体的密度可以用下式计算。

如图11所示，海平面上的空气与海面处于热力学平衡状态，即接近于饱和状态。地球表面的平均温度是15℃（Marshall，2007），饱和湿空气中相应的水蒸汽体积浓度约为1.70%，水蒸汽的密度为12.896g/m³。正如我们所知，自工业化以来，二氧化碳的体积浓度已增加到约400ppm (0.04%)。因此，海平面上的水蒸汽体积浓度是二氧化碳体积浓度的42.5倍。即便地表空气的相对湿度取真锅淑郎获奖论文所给定的77%，水蒸汽的体积浓度也有1.31%，是二氧化碳的32.75倍。

浓度为400ppm的CO₂的密度为0.710g/m³。如果按真锅淑郎假设的地表相对湿度70%计算，大气中水蒸汽浓度为1.31%，相应的密度为9.884g/m³。水蒸汽和CO₂在环境温度和压力下的比热容(c_p)分别为1850JK⁻¹kg⁻¹和845JK⁻¹km⁻¹。地球表面二氧化碳和水蒸汽的热容之比为

这个数量级表明，大气中水蒸汽的温室效应远远大于二氧化碳。大气温度不同，湿度不同，水蒸气含量及热容量不同，因此，二氧化碳与水蒸气的热容量之比随之变化。图12给出了不同相对湿度和大气温度下，二氧化碳与水蒸气热容量的比值变化。从中可以看出，只有在温度降低和相对湿度减小的条件下，二氧化碳的温室效应才逐渐具有与水蒸气有一比的条件。

另外，自水蒸汽离开大海和湖泊，水蒸汽就有了凝结的趋势，如清晨水面上经常可以看到生成的水雾，如图13所示。事实上，大气中有大量可见的云存在（云覆盖了40%的地球表面）。当然，大气中还有许多不可见的云滴分布在对流层。云滴的准确数量难以估计。但我们知道，地球年度降水达到约5.107×10¹⁷kg。0 °C液态水和冰的比热分别为4217 J/(K·kg) and 2106 J/(K·kg)（David，2010）。这些液态或固态的云滴有很高热容量，因此它们也能产生很大的温室效应。

图12   CO₂和水蒸汽热容量之比随温度和相对湿度的变化

图13  新疆喀纳斯湖升起的薄雾(2009年8月16日上午09:22)

图14  温室气体吸收光谱图

假设二氧化碳浓度为400ppm_v，其在大气中的总质量分数约为0.0608%(水蒸汽未考虑)。

二氧化碳的总质量约为3.2×10¹⁵kg (≈0.0608%×5.26×10¹⁸kg)，即地球年度平均降水量约为二氧化碳总质量的160倍。显然，大气中的云滴将进一步地减小二氧化碳在大气温室效应中的比重。

再则，水蒸汽凝结主要发生在对流层，与地球半径相比，对流层非常薄。但是因为地球为球形，因此我们可以假设不少于45%的凝结潜热向地球表面辐射，另外55%向外太空辐射，向地表的辐射强度将不小于45%×78W/m²=35.1W/m²。显然，这能极大地增强大气温室效应，并且降水和云层覆盖的变化也直接影响温室效应。不仅如此，云滴自身，以及云滴周围的云滴及其他温室气体都能吸收和再辐射水蒸汽的凝结辐射能，由相变辐射导致的温室效应因此被增强。

另外，如图14和图15所示，水蒸汽比二氧化碳能够吸收更多的太阳能（Marshall，2007；Bryant，1997），早晨的大气升温现象与此对应。这本来是非常基本的物理常识，但是在论证全球气候变暖的许多时候，却常常被视而不见，时常见到用“大气对太阳的短波辐射是透明的”说法来淡化水蒸汽的作用。从图14还可以看出，水蒸气对地表长波红外的吸收能力也大大高于其他温室气体。

并且，云滴（包括液态云滴和固态冰晶）都能吸收太阳能和地表热辐射，结果云滴被加热，以至融化、蒸发或升华，如图16所示。事实上，当一片云白天从我们头上飞掠，我们用肉眼就能够很容易观察到云量的减小，甚至消失。大气中蒸发和凝结应该是可以相互转化的，因此，潜热能够扮演重要的角色。水蒸汽和云滴成为可以进一步强化大气温室效应的重要热源。

图15 太阳辐射光谱图                                     图16  冰晶对太阳辐射的吸收

                                                                       (2012年12月08日上午08:23，北京)

因为潜热以相变辐射方式释放，并且因为云的形成和增加主要发生在夜间，因此全天温度范围(DTR)随云量的增加而降低。换句话说，云对大气和气候的影响不能仅仅限于IPCC所论及的“反馈”概念之下，这是大气物理学存在错误的必然结果。综上分析，与水蒸汽相比，二氧化碳的温室效应可以忽略不计。

但是，所有这些还不是最重要、最直接的决定性因素。什么才是决定性因素呢？答案是大海。正如前言里提及的，地球表面70%被海洋覆盖，大海才决定地球气候的关键，海水热容量是大气热容量所不能比拟的。地球总水量约为1.386×10²¹kg（主要是海水，约占总水量的96.5%），水的比热取值4.1868kJ/(K·kg)，其热容量与地球大气热容量之比为

事实上，海水表面直接接受太阳辐射，除部分被反射之外，大部分会被海水吸收。因此，地球的气候由太阳辐射作用下的海洋蒸发决定，这是“铁一样”的科学事实。

海水吸收太阳能致海水蒸发，有制冷效应并决定着地表气温；水蒸汽在高空凝结成云，通过辐射释放潜热，从而在很大范围内影响着气温；大量聚集的低温云滴，可形成所谓的飓风（大量凝聚态的水），开始时缓慢迁移下降，逐步与低层湿热空气相遇，湿热空气中的水蒸汽将凝结在这些低温云滴上，体积聚降对大气做功，从而加速并形成风暴等；降水可使地表降温，经过河流等回到大海，完成水循环。换言之，地球气候变化实质是通过水循环展现的。而所谓的极端气候现象无不与水、云、水蒸汽直接相关。

前面我们计算过，如果全年降水量的水蒸汽凝结潜热全部被大气吸收，则大气温度可以升高237°C，水蒸汽潜热以辐射方式释放，这应该是大气中最重要的温室效应。众所周知，大气中的水蒸汽主要来自海洋蒸发，水蒸汽的潜热作用属于海洋的作用范畴。

二氧化碳是地气系统的微量气体，根本无足轻重。即便是在干旱沙漠地区，如新疆克拉玛依的夏季室外干球温度35℃，相对湿度只有32%，其对应湿球温度15.8℃，根据前面的计算，这时的二氧化碳温室效应也无法与水蒸汽相提并论。只有冬季尤其是严寒的冬季时分，大气中的水蒸汽量才会因为气温过低而显著少于二氧化碳，二者的温室效应才有得一比。

13   水蒸汽凝结辐射特性对气候变暖的影响

地球表面的70%是海洋，全球气候变暖应表现为海水表面温度的升高，仅陆地气温不足以代表全球。海水温度升高，势必造成海水蒸发量的增大。相应的，降水量必然增大。由于凝结主要发生在夜间，因此从热力学定性分析的视角，昼夜温度范围(DTR)会随之降低。但由于降水时序、云层覆盖时序具有一定的随机性，以致大气湿度变化也具有某种随机性，由于降水等还受地理环境的影响，致使陆地的昼夜温度范围(DTR)变化偏离上述热力学的定性分析。从气象学的角度，陆地的气候特性因之分解为诸如海洋性、季风性、大陆性以及地中海式气候等等。在这种情况下，陆地DTR的变化会表现出完全不同的特性而不易被解释。由于不掌握水蒸汽凝结辐射特性，这导致IPCC第四次评估报告将云的作用限定为“反馈”；由于无法解释全球变暖背景下DTR变化的特性，因此DTR才称为本质性知识破口。

根据IPCC第三次评估报告(TAR)：“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，全天温度范围(DTR)减小0.8℃(注：这个数据应该是0.4，否则IPCC报告数据会前后矛盾)”。而澳大利亚学者布莱恩特在其专著《气候过程和气候变化》中指出：“···几乎所有地面探测的增温都是由于夜间增温的缘故”。与此同时，IPCC第三次评估报告也给出了降水量增大的信息：“从北半球中高纬度陆地大的和极端降水事件推断，总降水以一定比例迅速增大很可能已经发生了”。这个结果符合水蒸汽凝结辐射特性的影响。

下面以中国为例做一简要分析。根据中国科学院丁一汇院士所著《中国气候》，我国年平均气温日较差最小的地方是岛屿(即海洋的影响)，其DTR一般在3.9-5.2℃之间；地处大陆腹地的西部干燥地区的DTR最大，塔里木盆地、吐鲁番盆地、柴达木盆地及青藏高原部分地区的DTR超过16℃；其他地区的数据介于二者之间；也完全符合水蒸汽凝结辐射特性的影响。而中国东部大部分地区属于季风性气候，其年度季节性变暖特性亦非常有必要介绍一下。表1是中国东部南北主要城市的DTR，数据摘自林之光、张家诚所著《中国的气候》一书。如果将夏季(7月)各城市的日较差与冬季(1月)的数据进行比较，不难看出从冬到夏的自然变暖过程中，所有城市的变暖特性均为夜间增温速率更高，全天温度范围(DTR)明显减小。而众所周知的是，伴随着年度季节性自然气候变暖，存在着降水量显著增大的事实，说明这一年度自然气候变暖特性与降水量的增大高度正相关。

更能说明问题的是表1中1月 - 4月的气候变暖特性。北半球从冬入春的1月 - 4月是一年一度气候变暖的前半程，从表中数据看，在1月 - 4月的气候变暖过程中，地处南部的广州和地处北方的哈尔滨和北京，以及地处中部的武汉，有着完全不同的变暖特性，却有明显的规律可循。4月份，地处南部的广州处于梅雨季节，而位于北方的哈尔滨和北京则处于“天干物燥”的风季。这时广州的日较差最小，哈尔滨和北京的日较差则最大。即从1月 - 4月的气候变暖过程中，气候干燥和潮湿地区的昼夜增温速率具有完全不同的性质。南方多雨地区，夜间增温速率高于白天，日较差减小更为显著；地处北方干燥地区的城市白天增温速率更高，夜间的增温速率相对较小(或者说因空气干燥，夜间的降温幅度比较大)，即随着气候变暖，日较差增大；地处中部的武汉，其变暖特性介于二者之间，日较差则几乎没有变化。

表1   中国南北主要城市日较差表（1951年至1980年）

注：1.日较差是全天最高温度和最低温度之差，也称全天温度范围(DTR)、昼夜温差。2.不同数据来源，数据有所不同。

如果我们考察从北到南的“地理性”气候变暖，表中所列城市的所有时段，都是夜间温度升高更多，日较差减小，与降水量和空气湿度逐渐增大高度一致。而在季节性气候变暖过程中，二氧化碳变化非常小，其影响可以排除。根据上述分析，我们可以初步做出以下结论：在干旱地区、降水量减小地区、多风及升温未达到气象学夏季的地区以及全年气温变化不大的地区，其气候变暖的过程中，不大可能出现夜间升温速度更大的现象。

14   IPCC报告关于全球变暖预测的可能性评估

众所周知，错误的理论必然导致错误的结论。下列预测在IPCC第四次报告（Solomon，2008）中可以看到：“A range for equilibrium climate sensitivity – the equilibrium global average warming expected if CO₂ concentrations were to be sustained at double their pre-industrial values (about 550 ppm) – was given in the TAR as between 1.5°C and 4.5°C.” “… with a best estimate value of about 3°C.” 讲的是当二氧化碳浓度达到550ppm时，最可能的全球气候变暖是温度增高3°C。这里对这一全球变暖预测的可能性做一个简要评估。

实际上，如果大气平均温度从15°C升高至18°C，饱和水蒸汽密度将从15°C的12.896gm^-3升高到18°C的15.491gm^-3，即大气中水蒸汽的净增加值为2.595gm^-3。而当二氧化碳浓度增加550ppm时，由式(20)我们不难计算出大气中二氧化碳的密度仅为1 gm^-3，大气中水蒸汽的净增加值将是届时二氧化碳总量的2.595倍。然而众所周知，水蒸汽是最重要的温室气体（Marshall，2007；Solomon，2008），本文前面的分析也非常清晰地证明了这一点。因此，这一预言不可能成为现实。

IPCC依据错误的理论，推演一个不可能出现的危险情景误导全世界。即便是全球气候真的持续变暖，也绝对不可能是二氧化碳的温室效应所致。

15   碳中和不可能如期实现

根据本文所述，气候变暖与CO₂的关系不大，碳中和没有必要，不可能改变气候变化的趋势。其次，碳中和作为纯技术手段，也不具有可行性。事实上，所谓碳中和，基本要义是“0”碳排放，于是乎，有人将氢气视为“终极”能源，因为氢燃料燃烧不产生CO₂，且氢燃料电池效率又可达到很高的水平。然而，在碳中和的意境下，氢燃料只适合来自电解水制氢，而根据热力学原理，电解水制氢储能+燃料电池发电的理论最高效率只有80%，而不是一般能源利用系统通常具有的100%的理论最高效率。实际装置的运行效率会低很多，加之氢燃料输运能耗是相同条件下天然气输运能耗的8倍，且危险性更高，要求更高的安全措施，这很大程度上会抵消氢燃料电池的高效性和经济性。显然，仅风、光发电+电解水制氢+氢燃料电池发电这一能源产业链条难以形成闭环，其自身的“可再生性”必将成为碳中和难以逾越的制约因素。另外，尽管氢气燃烧不排放CO₂，但排出的水蒸汽亦是温室气体，对红外的吸收能力比CO₂强很多；不仅如此，水蒸汽凝结释放出大量的潜热，且是通过辐射释放的。因此，水蒸汽的排放对当地大气环境的影响是双重的。不难推想，如果氢燃料大规模替代目前化石能源的份额，势必导致严重的热污染问题。如果与夏季的闷热天气叠加，其情景难以想象。

人呼吸都排出二氧化碳，且世界人口在快速增加。据国际能源署(2021)特别报告《全球能源部门2050年净零排放路线图》预测，到2050年全球人口将达到97亿。仅凭这一点，碳排放就会不断增大。而根据化学基础知识和化石燃料的成分构成，燃料燃烧产生的二氧化碳的质量是燃料本身质量的2倍及以上，原矿井都容纳不下它们。因此，碳中和在原则上也不可能实现。笔者对经典理论产生疑问正是因为看到基于碳捕集技术(CCS)的二氧化碳零排放具有伪科学性质才引发的，之前，笔者对碳排放导致全球变暖的经典理论也深信不疑。2005年，有朋友给笔者看二氧化碳零排放的学术文章，而笔者碰巧了解到我国当时的铁路货运能力的55%在运煤，于是笔者心里产生了一个疑问：碳燃烧生成二氧化碳，质量是碳的3.67倍，意味着增加一倍多的铁路运力也运不了煤燃烧产生的二氧化碳，这使得二氧化碳“零排放”具有伪科学性质，让笔者对经典理论产生了怀疑。于是笔者开始了自己的研究，经过近二十年的分析与论证，已从诸多方面证明经典理论存在着根本性的不足。限于篇幅，本文这里只陈述了其中的核心部分。

事实上，二氧化碳是大气中的微量气体，不具有左右气候变化的能力，碳中和不具有扭转气候变化趋势的能力。但是，执行碳中和政策势必造成更大的能源消耗和投资效益的大幅度降低，并增大能源供给安全隐患，甚至导致经济危机。虽然西方国家在极力倡导碳减排和碳中和，但事实上，《京都议定书》于1997年达成迄今已经过去26年的时间，总的来说西方发达国家在碳减排方面的努力实质上只是将碳排放量大的重化工产业向发展中国家转移，虽然他们借此实现了自身的所谓碳达峰及一定程度的碳减排，但全球的碳排放量一直在逐年增加，对全球碳减排毫无意义。不仅如此，为了逃避“共同但有区别的责任”，《京都议定书》被西方发达国家无情的背弃，他们承诺的给予发展中国家的气候援助也迟迟未能兑现，充分说明西方发达国家的虚伪且吝啬。由于世界各国无法就碳排放指标分配这一制约其经济社会发展的议题达成一致意见，2009年的哥本哈根气候大会近乎失败。2015年达成的《巴黎协定》转而强调在碳减排上的自主性，远不及《京都议定书》所秉持的“共同但有区别的责任”意识，对全球碳减排而言是一个明显的倒退。尽管西方发达国家极力鼓吹他们的所谓减排“雄心”，但实际上，由于《巴黎协定》缺乏约束性，这在很大程度上已然使全球碳减排和碳中和沦为了空洞的政治口号——不谈责任的雄心，最后极大可能变成毫无信用可言的谎言。从世界各国设定的碳减排目标看，巴黎协定的控温目标不可能实现。

正如本文所述，碳中和无法改变气候变化的趋势，自身也根本无法真正实现，反而会严重加剧能源消耗，如果一意孤行地执行碳中和政策，必然导致经济危机，这将极大影响世界各国的决策。环球时报微博2023年9月22日发表了一则题为“西方国家减排果然‘防空炮’”的新闻。新闻说，针对英国首相苏纳克在2023年9月20日召开的新闻发布会上宣布推迟一系列关键环保计划的问题，英国内政大臣苏拉·布雷弗曼在接受英国天空新闻采访时回应到：“我们不会通过让英国人民破产来拯救地球。”这颇具讽刺意味。该微博还借用中国科学院丁仲礼院士在《鲁健访谈》采访时做的预言：西方国家就是在“防空炮”，你以为他们会真的减排，咱们走着瞧！毋庸置疑，英国不会是唯一的国家。

16  极端气候问题

经典理论针对全球气候变暖的一个重要外延性结论是：气候变暖会导致极端气候增加，意指二氧化碳排放导致更多的极端气候。但是，一个无需辩驳的事实是，人类所能看到和经历的极端气候，几乎全部是一幅幅水汽变化的图景。没有水汽变化，就没有气候（天气）变化，更无极端气候，因此，把极端气候说成碳排放的结果非常的牵强。前文的分析已经表明，二氧化碳只是大气中的微量气体，与水蒸汽相比，其温室效应可以忽略不计，不可能具有影响气候的能力，即极端气候与二氧化碳无关。

之所以存在极端气候，在夏季，太阳直射，地表（海水表面）温度高，大量的地表水蒸发；夏季大气温度高，可容纳的水蒸汽更多；高空会聚集大量凝结（华）的水，即更多的云，尤其是海洋的上空，这是飓风形成的必要条件。亦即，飓风多是夏季才有的气候现象。另外，如果夏季时间延长，即高温持续时间长、飓风或台风的数量就会明显多。

历史上的极端气候也并不少见，传说中的极端气候也不少。在西方国家广为流传的诺亚方舟传说就是其中之一，但遗憾的是至今未得到考证。中国自古以来就有远古洪荒、沧海桑田的说法。无论是哪一个传说，都远比现代历史记载的极端气候要极端的多。而从地球整体的气候变化历史看，目前的极端气候事件也完全没有超越地球历史上发生过的极端气候事件，根本不必大惊小怪。

近年来，冬季极寒现象时有发生，这一与变暖反向的极端气候，竟然也被指认为全球气候变暖所致，更让人匪夷所思。冬季的暴风雪等极端气候现象，其背后的机制比飓风更复杂，涉及冬季地表水的蒸发（或升华）。2018年1月北美遭遇极寒暴风雪气候，被解释为“北极涛动”所致。所谓北极涛动，表现为地表温度高于常年。但是，冬季的北极太阳始终在地平线以下，太阳投入辐射几乎为0，北冰洋处于完全冰封状态，为什么出现温度高于常年的情况？原因可能会很多，也不易弄清楚。但是，根据北极地理方面的信息，当地的火山活动很是活跃，极有可能是其中一个原因。试想，如果有额外热量的输入，必然有更多的水蒸发（或升华），于是会有更多的云形成。如果集聚在北极上空的云未在北极形成降雪，而是因某种原因离开北极，那么必然形成其所经之沿线地区的极端气候。显然，把极寒气候说成变暖所致，既不科学，也无确实根据。

17   结束语

综上所述，水蒸汽凝结以辐射方式释放潜热，大气中水蒸汽的浓度远高于二氧化碳，在大气温室效应中占主导地位，这决定了气候变暖表现为且必然表现为夜间增温幅度更大，仅气候干燥多风及降水量减少的陆地地区除外。

必须指出的是，水蒸汽凝结辐射释放潜热是超越经典理论的物理机制，已为理论分析、实验探测及气候变化的历史数据等所证实，现在所需的是得到客观公正的认识和对待，只要能在这个核心问题形成共识，一切问题迎刃而解。

天气变化及季节性气候变化主要表现为地气系统的水汽变化如降水、云及地表水的蒸发等，是太阳辐射的昼夜变化和季节变化所致。极端气候现象中，水汽变化更为突出。这些都是人皆有感、无需争辩的客观事实。二氧化碳只是大气中的微量气体，不具有改变气候变化趋势的能力，人们也丝毫感受不到它的作用，这也是基本事实。

碳中和既无必要，也不可能如期实现。而强力推进实施碳中和将必然加剧能源消耗和社会成本的显著增大，甚至导致经济危机。

至此，本文初步揭示了气候变暖物理机制的真相。