再谈全球气候变暖论是一个错误的理论导致的错误结论

众所周知，水蒸汽凝结是同温相变过程，因此有潜热这一概念。在工程实践中，伴随着水蒸汽的凝结，总有外部冷源作为“热阱”来吸收这部分潜热。比如火电厂的凝汽器，要用循环水进行冷却等。传热学中，水蒸汽凝结过程如图1所示^[1]，蒸汽凝结方向与热传导方向一致，蒸汽温度t_s≥凝结表面温度t_i，更高于竖直壁面温度t_w。

      图1  竖壁水蒸汽凝结过程             图2   云滴表面凝结过程

在大气环境中，水蒸汽在高空是自发凝结(凝华)的，凝结的水滴(也称云滴，大量的云滴构成“云”)游历于大气之中，是没有外部冷源的，潜热是如何释放出去的呢？

大气物理学关于水蒸汽凝结的经典描述来自英国著名大气物理学权威BJ.梅森。其专著^[2]给出了云滴长大方程(以下简称梅森模型)：认为几乎全部凝结潜热从云滴表面通过周围空气传导而耗散．许多大气物理学书籍引用了这一模型^[3,4]。这一模型的表达式为：L_v(dm/dt)=4πrk_a(t_r-t_∞)．式中，L_v为凝结潜热；r为云滴半径；k_a为空气热导率，t_r为液滴表面温度；t_∞为无穷远处温度(云滴环境温度)；dm/dt为单位时间内的云滴生长率^[2-4]．根据这一模型，大气中水蒸汽的凝结传热过程如图2表示。

根据热力学第二定律，热只能自发从高温物体向低温物体传递。因此，如果水蒸汽凝结的潜热要从云滴表面通过周围空气传热而耗散，就必须要求云滴表面的温度高于周围大气；但是，如果云滴表面温度高于周围大气，所能发生的过程就只能是云滴上的水分子向周围大气扩散，不可能出现水蒸汽的凝结。

我们知道，水蒸汽凝结是同温相变过程，因此不可能出现这样一种情况：大气中的水蒸汽凝结加热大气中的云滴，使其表面温度升高并超过大气自身温度的程度。但是要满足梅森模型的传热要求，这又是必须的，因此只能讲梅森模型是违反第二定律的，因而是错误的。事实上，梅森模型并没有实测数据的支持。

由于大气物理学中的分析基本上都是基于热力学第一定律的，基于第二定律的分析非常少，应该说这是目前大气物理学理论存在的不足．中国气象科学研究院、中国气象局北京城市气象研究所研究员曹鸿兴先生在《应用气象学报》2005年第16卷第4期上发表的“大气热力学的若干新发展”一文^[5]中说道：“在大气科学中，表达热力学第一定律的方程是构建数值模式的基本方程，而热力学第二定律在大气力学中似乎不占重要地位，……，目前，已出版的大气热力学专著几乎都基于经典力学的范畴”．

大气是多元体系，其间发生大量水的蒸发和凝结，涉及分子迁移、扩散和凝聚，是化学热力学分析的常见问题．文献[6]虽然提及多元体系化学势的概念，但未用来分析大气中水蒸气的凝结过程．本人从多元体系化学势和相平衡角度，对大气中水蒸汽凝结过程进行了分析^[7,8]，结果发现梅森模型违反了热力学第二定律．

简单地讲，在等温等压条件下，纯物质的化学势高于其在多元体系中的化学势，纯物质将向多元体系中扩散．也就是讲，大气中凝结出来的水(云滴、雨滴或冰晶，以下仅称云滴)中必然溶有大气中的其它气体成分，也是多元体系．在大气中水蒸汽凝结的热力学平衡状态，气相(v)各组元的温度、压力和化学势分别与云滴液相(l)的温度、压力和化学势相等(t^v=t^l, p^v=p^l, μ_j^v=μ_j^l, j代表大气中各组元)．

众所周知的是，化学势μ随温度的提高而提高，如果云滴温度高于周围大气，其中液态水的化学势必然高于周围大气中的水蒸汽，所能发生的过程必然是水的蒸发，即云滴中的水分子向大气的扩散，而不是相反，这是热力学第二定律所决定的．

现在问题出现了，水蒸汽在高空凝结了，潜热也一定释放出去了，又不能通过热传导传递给周围的大气，那么潜热去了哪儿呢？答案只有一个，那就是以辐射方式向四周发射。根据地球大气结构，其中大部分会向宇宙空间辐射，是对地球的冷却；少部分向地面辐射，构成一种未被认知的大气温室效应。

既然是电磁辐射，大气中水蒸汽凝结又非常普遍，其辐射必然是大气环境中的一种背景辐射．通过相关文献的查阅，我们获得极有价值的发现，大气极低频和低频(78Hz-9MHz)无线电噪声与大气中水蒸汽凝结特性非常吻合^[9-14]：(1).夜间高于白天，这与夜间水蒸汽凝结更多非常一致；(2).夏季高于冬季、海上高于陆地，这与夏季和海面水蒸汽更多及凝结更多一致；(3).大风时高于无风时，这与刮大风时大量水蒸汽凝结而致容积急剧缩小特性一致；(4).下午高于上午，这与水从地表蒸发并扩散到高空需要一定的时间一致．更高频的大气无线电噪声强度亦不小，如电视(49MHz -870MHz)的噪声，虽不具备上述水蒸气凝结特性，但不能排除是水蒸气凝结所致，只是其时间空间上不具有背景性(或周向均匀性不强，比如东边日出西边雨、某一时刻某处的雷暴等)的缘故．

关于大气中无线电噪声的由来，由于其不在大气物理学(大气热力学)的研究范畴，因此大气物理学(大气热力学)里没有相关内容^[2-4,6]．文献[11]等有粗略的分析，雷暴、电离层、人工电磁场、输变电无线电通讯，以及地球之外太阳黑子及磁暴等都是无线电噪声的来源．但是大气环境中，所有其他的无线电噪声都不会有夜间高于白天、海洋高于陆地等特性．需要特别说明的是，1960’s以前人为无线电噪声源应该是很少的，因此可以排除人为无线电噪声的可能．极低频和低频大气无线电噪声是地球大气环境本身的一种特性，由于与水蒸汽凝结特性十分地吻合，因此我们完全有理由相信，大气无线电噪声的主体应来自水蒸汽的凝结(另注：雷暴本身也是与水蒸汽直接相关的气候现象)．

根据文献[15-21]，降水量与云系微波特性有一定的内在关系，是很有价值的研究成果．结合上述分析，需要考虑的是，这是降雨云系中云滴和湿空气本身的辐射特性？还是在重力作用下的低温云滴降落过程中，下层湿空气中的水蒸汽不断在云滴表面凝结的辐射特性？由于这一过程比较短暂，过程中水蒸汽凝结高度在变化，凝结温度也是变化的，这很可能造成其微波辐射频率的变化；更由于大气、水蒸汽以及云滴都对微波有很强的吸收性(无线通讯要设置许多的基站就是因为这个原因)，且高频越高越易被吸收^[22]，这使得大气中微波信号十分微弱．

事实上，早在1968年Potter和Hoffman就发现相变过程中高于黑体辐射强度的异常辐射特性，他们将之描述为相变发光^[23]。他们的实验装置是盛有沸腾水的容器、一个用于水蒸气凝结的低温玻璃、和一个灵敏的红外测量系统。实验观察到从玻璃表面和凝结蒸汽之间的边界出来的明显高于同温下黑体辐射的异常红外辐射，且其强度随着玻璃界面的水蒸气冷凝速度增加而增强。在1-4μm范围内的积分辐射强度比Plank’s Radiation高四倍^[23]。他们认为这一异常辐射直接产生于相变过程中，并为此提出相变辐射这一新术语，用来说明由于相变而产生的这种辐射。随后有一批文献围绕这个问题展开，文献[24]从传热传质学的角度，建立了凝结辐射传热方程，对水蒸气凝结辐射进行了理论计算；文献[25]则通过建立模型，分析了水的一阶相变过程(凝结、结晶)中的红外辐射特征辐射，作者关注到卫星探测到的冰雹云形成过程中异常强烈的红外辐射特性，认为大气中许多红外辐射源来自形成云和雾的水凝结、结晶和凝华过程。

众所周知，电磁辐射产生于能级阶跃^[26]。关于相变辐射机理，上述所有的文献都将气相视为液相的激发态，或将液相视为固相的激发态。同温相变过程中，当处于激发态的气相分子和液相分子等返回它的基态时，以辐射方式发生其潜热^[7,8,23-25]。但是不难看出，这些文献都对相变辐射特性本身有所分析，但对于相变辐射的意义理解还不够深刻。例如文献[24]仅仅把相变辐射看成地球的一种冷源，认为这一辐射特性可用于气象警报，并未认识到大气中的水蒸气凝结辐射方向可能是随机的，向宇宙空间当然是地球的冷源；但是，如果辐射向地面，与玻璃反射红外辐射的温室效应相比较，是一种异曲同工的效果。加之云滴吸收能力很强，其吸收又会有气化，于是在很大程度上会强化大气中的这种辐射。而文献[23]是仅仅是从传热建模的角度开展研究的，没有实验探测的内容。

事实上，如果不能突破基于热力学第一定律的梅森模型的束缚，开展大气中水蒸气凝结的第二定律分析，是很难正确考虑水蒸气凝结潜热对地表气温的影响的。

基于以上分析，我们不难对水蒸气与CO₂的温室效应做一个简单的对比分析。根据文献[27]，全球年平均降水量达5.77×10¹⁴m³，所释放的潜热约1.44×10²¹kJ(按2500kJ/kg潜热值计算，如果考虑蒸汽直接凝华成冰，潜热量将更大)，假定45%向地表，55%向宇宙空间，则折合向地表的辐射强度约40W/m²，远大于IPCC报告^[28]估算的CO₂等温室气体2.43W/m²的辐射强迫(CO₂占其中的约60%)，也就是说IPCC的气候模式没有正确认识大气温室效应^[28]。不仅如此，根据大气辐射特性^[2]，水蒸气本身吸收地表长波辐射的能力也大于CO₂，大气中水蒸气的浓度又远远大于CO₂，如果按1%的平均水蒸气浓度^[2]计算，仅从热容量的角度，CO₂的温室效应也只有水蒸气的4%。因此，综合考虑水蒸气凝结相变辐射和大气中水蒸汽的热容量，CO₂的大气温室效应完全可以忽略不计。基于这一分析，那么我们完全有理由怀疑全球气候变暖的原因是因为人为CO₂排放的增大。

现在，让我们来分析一下全球气候变暖及其相关事实。IPCC第三次报告^[28]讲“自1860年使用仪器进行气候观测以来，全球地表气温增加了0.6±0.2℃”，这一点不断被强化。但是紧跟其后还有一个重要数据，却被非常离奇地忽视了，那就是“平均日平均最低气温的增温速率是最高气温的两倍，全天温度范围减小0.8℃”。这实际上意味着变暖主要是夜间增温所致，而这一现象是基于CO₂吸收地表长波辐射的温室效应机理所无法解释的。因为基于这一机理，昼夜变化应该不大，如果有差别，也只可能是白天高于夜晚，不可能出现相反的情况。

更重要的是从文献[29]我们可以看到，在从冬天到夏天的“自然”气候变暖过程中，也同样存在夜间增温幅度大于白天的现象，如表1所示。这方面的气象统计资料丰富而翔实，但IPCC没有关注到这一点。可以肯定的是，它与CO₂没有关联。不仅如此，从北到南如从哈尔滨、北京到武汉、再到广州，这一现象越来越突出，与当地降水特性非常吻合。

表1   中国南北主要城市日较差表

     注：日较差为昼夜最高与最低气温之差。

综上所述，我们不难得出结论：由于地球表面的70%是海洋，大气中水蒸汽主要来自海洋蒸发，因此决定气候变化的主导因素太阳辐射作用下的水汽变化，把气候变暖原因归咎于人为CO₂排放增加的气候变暖论是一个错误理论导致的错误结论。

主要参考文献：