试论霜冻之形成

    当年我在东南大学学习《传热学》时，戴锅生老师出过这样一道智力思考题：晴朗无风的秋夜，天气预报说地面气温高于摄氏零度，早晨的地面却出现霜冻现象，何故？

    要把这一现象解释清楚，需要深入理解传热的三种形式。这里就是霜冻之形成需要的5个必要条件。

    第一，晴朗意味着无云，没有辐射障碍，地表向着宇宙背景辐射，这是主要的热损失。如果有云，意味着地表向温度差不多的云辐射，辐射损失量很小，忽略不计。所以，霜冻之形成条件一定是夜空无云。

    第二，无风。无风意味着对流换热量很小，可以忽略不计。根据第5条，当时地表气流温度高于零度，所以霜冻之形成一定要避免对流换热的加热作用。

    第三，秋季。秋高气爽，关键是高空大气含水量低，缺乏水分的大气对于地表的低温长波辐射几乎透明。如果有水汽，水汽对红外线长波的吸收效果很好，这样就转变成大地对云层的辐射问题，这种热损失很小，因此不会形成霜冻。因此，霜冻之形成一定是晚秋或初冬。

    第四，夜晚。没有太阳辐射，这是很显然的，对于中国所处的纬度来说，太阳辐射足以克服地表辐射的热损失，所以白天形成不了霜冻。对于高纬度的两级地区，这一条件不成立，虽然太阳当空照，但辐射角度斜，能量密度低，冰天雪地的环境不受阳光的影响，因为辐射散热高。所以两级地区，白天黑夜的能量是没有太大差别的，阳光照射不足以破坏原来的能量平衡。

    第五，地表气温高于零度。这一点很关键，也是提供霜冻的来源。什么是霜冻？就是空气中的含水量在物体表面的凝结，夏天叫做露水，冬天叫作霜冻。如果地表大气温度低于零度，意味着即使湿度早已饱和，空气的含水量低，这种低含水量的气体，不论遇到什么样的冰冷物体，也不会有霜冻的形成。因此冬天气温虽然低，却没有霜冻的形成，因为大气含水量太低了。只有在地表大气温度高，仍然含有大量水汽的时间段内，才用露水或霜冻的形成。

    上述5种条件，是形成霜冻之必要条件，缺一不可。由于大气晴朗无云，地表的辐射热损失高，地表温度低于零度，开始冷却大气，大气中的水分顺势在冰冷的物体表面凝结，于是形成霜冻。没有热辐射，就没有霜冻现象。

    最后一点，霜冻往往形成在蓄热量小或导热性能差的地方，容易温度低于零度。如窗玻璃的蓄热量小，所以我们需要经常给车窗化霜化冻。虽然枕木的蓄热量大，但因为木材的导热性能差，在木材表面形成很大的温差，不利向深度传热，只有木材表面参与蓄热，所以相当于木材的蓄热量小，因此也容易吸引霜冻。霜冻之形成，有赖于地表温度低于零度，从而从空气中攫取水分，而大气的条件，对于地表（固体）温度低于零度之条件形成至关重要。没有地表辐射，怎么会造成地表温度低于地表大气温度的局面呢？否认地表辐射，就是否认普朗克定律，这是可以获得诺贝尔物理学奖的成果。

    有道是，晴朗无云利辐射，高空无水可透明，蓄热不足温度低，地表含水露成霜。