大气物理学存在的问题之二

                     气快上升运动的干、湿绝热假设存在的问题浅析


    大气物理学是基于“干、湿绝热过程”假设分析气块上升运动的，但这样的分析在方法学上是错误的。
    热力学定义的绝热过程有两种：绝热节流和绝热膨胀。绝热节流是完全的不可逆过程，前后气流的焓值不变，压力降低；定熵绝热膨胀则是可逆过程，气流压力、密度和温度都随之降低且唯一确定，结果使气流焓值降低，焓降完全变成气流的动能。实际工程中的绝热膨胀是具有一定节流效应的不可逆膨胀过程，如蒸汽轮机和燃气轮机中的气体膨胀过程，通过这样的膨胀过程，可以将热能部分转变为气体动能，再由气体动能转变为机械能和电能，即所谓的发电过程。
    但是热能工程中的膨胀过程必须通过特定的结构才能实现，如气流从亚音速到超音速的绝热膨胀过程就必须通过缩放喷管(拉伐尔喷管)才能实现，这是热力学的一个基本常识。即由亚音速气流的绝热膨胀需要一个渐缩喷管实现，而渐缩喷管只能将气流加速到音速，若想使其继续膨胀加速达到超音速，就必须在渐缩喷嘴后面设置一个渐扩喷管，构成拉伐尔喷管。如果一个亚音速气流在一个渐扩喷管中流动，所能实现的只能是气流的减速、扩压过程。
    地气系统随高程的增大，大气压力、温度和密度逐步降低，初看起来气流上升过程像一个热力学的膨胀过程。但是地球是一个球体，地气系统沿高程的球面面积越来越大，而气块上升气流速度是亚音速的，这样的流动结构不可能实现绝热膨胀过程，因此大气上升运动不是大气的压差的作用，而是其它热力学机制的作用。因此大气物理学采用绝热过程假设来研究大气上升运动，尽管与大气沿高程的温度递减近似符合，但在方法学上是错误的。
    根据物理学，任何物质都具有辐射能的发射、吸收和反射特性，不同物质的发射、吸收和反射能力不同。从太阳等恒星的核聚变引发的太阳辐射，到地球等行星的红外辐射，再到宇宙微波背景辐射，从大气中的水蒸汽、二氧化碳、甲烷、氮氧化物、臭氧以及氟利昂(如CCl3F and CCl2F2)等气体对地面红外长波辐射的吸收特性，到玻璃的长波反射以及镜面反射特性等，无不印证着物理学理论。
宇宙空间处于几乎绝对真空的状态，可以认为没有导热和对流传热现象，电磁辐射是宇宙间唯一的宏观能量过程。宇宙间的电磁波辐射主要包括恒星上核聚变引发的宇宙射线、χ射线、γ射线、紫外线、可见光及少量其它波长的辐射，地球等行星的红外辐射以及宇宙微波背景辐射等。
    地气系统是一个开放体系，开放的对象是宇宙，或称宇宙是地气系统无法隔绝的环境。从地面到宇宙空间有明显的压差、温差和密度差，在通常的情况下，这样的热力学势差必然导致流体流动、热量传递及物质扩散。然而由于地球引力作用，限制了压差及密度差决定的物质流，因此地气系统对于宇宙空间没有导热和对流，而只有热辐射。
事实上，如果忽略地气系统中大气湍流的某些不确定性，地气系统的热力学状态完全符合普里高津(Prigogine)所定义的“耗散结构”：在开放和远离平衡的条件下，在与外界环境交换物质和能量的过程中，系统通过能量耗散过程和内部的非线性动力学机制形成和维持的宏观时空有序结构称为耗散结构。这种有序结构表现在向上有基本确定的压力差、温度差和密度差，这种有序结构的形成主要是引力的作用，而大气获得的热量不断地向宇宙空间辐射耗散(地气系统的负熵流)是维持地气系统的时空有序结构的一个重要热力学机制。因此，不考虑辐射的地气系统的热力学分析是不科学的。
    绝大多数大气物理学书籍都提供了地气系统总的辐射平衡框图。大气中的水蒸汽和CO2向宇宙空间发射的净红外辐射能约占太阳总入射辐射能的38%，而分析气块上升运动却使用“干、湿绝热过程”假设，基于这种假设的热力学分析不能令人信服，即“干、湿绝热过程”假设显然与实际不符。
    人们或许认为地气系统的这种辐射是水蒸汽凝结将潜热热传导给周围大气之后进行的，但是基于本文的分析，我们至少可以质疑其理论依据何在？我们希望看到有关的实测数据或证据，而所有的、基于某种理论的计算结果都不能作为证据采用。
    事实上在太阳辐射作用下，水蒸汽蒸发、大气吸收太阳能和地面热辐射能之后，大气作上升运动，但不是热力学膨胀过程，而是在化学势作用下的分子扩散，这是因为水蒸汽进入大气以及大气升温后大气化学势增大的缘故，尤其是水蒸汽化学势的增大尤为明显，因此其扩散速度要高于其它气体。而当气体上升(扩散运动)达到一定高度时，湿空气达到露点温度，水蒸汽即开始凝结，由于水蒸汽凝结容积急剧缩小而对大气作功，因此会加剧气流的上升运动。
    而大气的这种上升运动使各地区对流层的高度不同，对流层顶部高度在极地上空约为9-14km，赤道上空约为15-20km，但极地对流层顶的温度比热带地区对流层顶的温度高15-25K，平均垂直温度递减率约6.5-9K/km。
     地气系统中水蒸汽及水滴(云)分布不均匀，而水蒸汽及水滴的比热容量明显大于大气的其它成份，这种不均匀性可以改变局部区域的大气温度变化规律，但不能左右地气系统的总体温度分布规律。这说明即使对流层高度存在明显的不同，但其温度分布规律仍然是基本相同，即地气系统是一个向上有基本固定的压差、温差和密度差的有序结构，与是否发生干、湿绝热过程无关。