再论气候变暖的物理机制

最近，知社学术圈发表了“诺奖得主指责温室气体导致气候变化是谎言——公众应该相信什么样的科学家？”的推文。文中，John Clauser先生对碳排放导致气候变暖的温室效应理论进行了猛烈的抨击，指出云层对太阳辐射的反射和海水蒸发等因素未被正确认识，意指经典理论未真正掌握气候变暖背后的物理机制。华北电力大学周少祥教授从热力学基础出发，对气候变暖物理机制给出了自己的思考。对照John Clauser先生的指责，读者不难做出自己的判断。

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在经典理论中，温室效应被定义为温室气体的红外吸收与再辐射，然而占干空气99%体积浓度的氮气和氧气不吸收红外，自然不能因此致热升温，这说明经典理论存在根本性缺陷。

理论与实验已证明水蒸汽凝结成云的潜热以辐射方式释放，大气中存在超越经典理论的物理机制。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。周少祥之所以看到他们的文章，是想知道自己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年周少祥基于猜想及热力学分析得出了相同的结论。2008年周少祥所写“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。

全球气候观测资料显示：

1. 在年度季节性气候变暖、从极地至赤道的地理性气候变暖以及IPCC第三次报告介绍的全球变暖，都是夜间增温幅度更大，与水蒸汽夜间凝结更多且以辐射方式释放潜热的物理机制非常吻合，仅降水减少及干旱地区除外。
2. 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。
3. 大气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。而频率越低，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。

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。

但所有这些，经典理论都无法做出合理的解释。由于存在根本性缺陷，因此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)为例给予说明。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。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。热容量为0，意味着所讨论的东西不在物质范畴，因此，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。

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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。

二是其地表辐射能量平衡关系式未考虑海水蒸发的影响。事实上，海洋占地表面积的70%，海水蒸发对地表有冷却作用，如同酒精棉球擦拭皮肤的效果。不考虑海水蒸发，不足以代表地球，诺奖得主John Clauser先生对此进行了严厉的批评，显然，他的批评无疑是正确的，但缺乏数据的支撑。

人为活动对地球环境的直接影响，首要的是化石燃料燃烧的热效应。根据《BP世界能源统计年鉴2020》，2019年全球消耗的化石燃料燃烧的热量为4.9234×1017kJ。根据联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第三次评估报告（TAR）中的数据：“长期全球平均降水量为984 mm/yr”。地球半径为6370 km，水的密度为1000kg/m3，0℃水的汽化潜热为2500kJ/kg，于是全球降水量对应的潜热达1.254×1021kJ [=0.984×(4×3.14×63700002)×1000×2500]。显然，全球降水量对应的潜热是人为化石燃料燃烧总热量的2547倍 [=1.254×1021kJ /(4.9234×1017kJ)]，足以使大气整体升温237℃。降水主要来自海洋蒸发，如此巨量的海水蒸发吸热量被忽略，显然是不合适的。

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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。

从热力学视角，任何物质的温度都取决于其热容量和边界条件。由于热容量的物理意义未被正确理解，出错不可避免。事实上，二氧化碳的确具有温室效应，但一定量的二氧化碳可以人工制成干冰，这说明对于热容量不大的物体，其边界条件起着决定性的作用。太阳足够大，以至于可以成为一颗恒星而自行发光和发热，对此人类只能被动地接受，而毫无反作用能力。

如果边界条件相同，物质的冷暖变化则取决于热容量的大小。大气中的温室气体处于大致相同的边界条件，因而热容量的大小至关重要。事实上，氮气和氧气不吸收红外，温室气体吸收的红外能量只能通过分子之间的碰撞传递才能使大气整体升温，所传递能量的大小即为其温室效应，且正比于热容量。

在热力学分析中，海平面与海平面的大气往往被视为处于热力学平衡态。地球表面的平均温度为15°C，相应的饱和湿空气中的水蒸汽体积浓度约为1.70%，是目前二氧化碳体积浓度(400ppmv)的40余倍。即便陆地表面空气相对湿度取真锅淑郎获奖论文设定的77%，水蒸汽的体积浓度也有1.31%，是二氧化碳的30倍以上。浓度400ppmv的二氧化碳的密度为0.710gm-3。1.31%浓度和15°C的水蒸汽密度为9.884gm-3。水蒸汽和二氧化碳的比热分别为1850J/(kg·K)和845 J/(kg·K)。因此，地表大气中的二氧化碳和水蒸汽的热容量之比约为3.4% [=0.710×845/(9.884×1850)]。如果以海平面的条件计算，这一数值只有2.54%，这一数量级的关系决定了大气中水蒸汽的温室效应远高于二氧化碳。另外，全球年度降水量是大气中二氧化碳总质量的近160倍，这说明大气中还有大量的云滴(水滴或冰晶)。它们对太阳辐射和地气系统的红外辐射都有相当比重的吸收能力，其温室效应也不容小觑。综上，不难得出结论，与大气中的水汽相比，二氧化碳的温室效应可以忽略不计。

然而，这些还不是最重要的。最重要的物理机制是水蒸汽凝结潜热以辐射方式释放，它决定了全球气候变暖表现为且只能表现为夜间增温幅度更大，只有降水量减少及干旱地区例外。

根据IPCC第三次报告(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℃”。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”。这些都充分反映了水、水蒸汽及水蒸汽凝结的作用。

下表数据摘自林之光和张家诚先生所著《中国的气候》，这些数据揭示了年度的“自然气候变暖”特性及其影响因素。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，伴随着年度的自然气候变暖，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。

中国南北主要城市日较差表（1951年至1980年）

注：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。

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。

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。而根据丁一汇院士所著《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)，其日较差一般在3.9-5.2℃之间；地处大陆腹地的西部干燥地区的日较差最大，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日较差超过16℃；其他地区的数据介于二者之间。日较差的变化亦与当地降水及空气湿度紧密相关，说明其反映的是气候变化的共性。

由于全球平均年降水量对应的凝结潜热是年度化石燃料燃烧热量的2500余倍，因此太阳活动的些许变化就可带来远超人类活动的热影响。与之对应，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。二氧化碳的作用却毫无显现。

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至此，本文清晰地阐述了气候变暖物理机制的真实情况。IPCC第四次报告(AR4)中有“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”的结论，并承认“云反馈仍然是气候敏感性评估之不确定性的最大来源”。John Clauser先生显然从这些已发布的报告及文章的表述中关注到问题的关键之所在，但未给出正确的答案。

当然，经典理论存在的问题还不止上述这些，值得进一步的研究及争鸣。潜热以辐射方式释放是超越经典理论的物理机制，值得进一步研究的东西也很多，诸如相变辐射是不是物质的固有热力学性质，有什么样的特性和规律，不同物质的相变辐射特性有何差异，以及热能究竟属于什么性质的能量和延伸关联问题如新因素下的气象预报等等，都非常值得探索，本文不可能给出全部的答案，因此谨作抛砖引玉之用。

综上，尽管工业化以来二氧化碳的浓度增加了很多，但迄今也只有400ppmv(即0.04%)的水平，是大气中的微量气体，不应该具有主导气候变化的能力，否则将与人类的基本常识相悖。因此，碳中和既无必要，也无法改变气候变化的趋势，但却必然成为全球无法承受之重，将极大地阻碍世界经济的可持续发展。全球面临的挑战众多，如果继续在一个错误的方向上浪费巨大的人力物力，将严重影响这些问题的解决，应尽快让全世界的人民了解这一情况，阻止情势滑向恶化的局面。

作者简介：

周少祥，华北电力大学教授，主要从事热力学基础研究。发表文章70余篇，2022年出版了《现代节能原理》专著（科学出版社，中国），2010年与新疆气象所退休研究员张学文先生合著《空中水文学》(气象出版社，中国)。