空中究竟有多少水？

张学文

空中究竟有多少水？

张学文，2012/7/24

先交代一下为什么提出空中究竟有多少水的问题。

一场暴雨落地，使一个城市的街道变成了河流。于是人们问空中平时拖着多少水？

空中的水汽、云、还没有落地的雨雪雹都是空中水。而计算表明总体比较起来，水汽是它们的主要部分，以致气象学对空中水的一般计算都忽略了云和悬于空中的雨雪数量。难道空中水汽的计算方案有问题吗？

我们说目前计算空中水时一般把云中含水等忽略没有大问题,但是水汽的数量计算方案有问题，空中水的实际数量被严重低估了。

文献[[1]主要从两个方面质疑目前认可的空中水数量。其一是，仿照计算大气质量的思路计算出来的空中水数量，竟然是目前认可的空中水数量的6倍。其2是根据水汽压力随高度的减少速度看，它是分子量为18的水汽的衰减速度的6倍。这两个“6倍”则提示气象学中对空中水的数量计算是错了。

另外，每年我们都遇到很多的暴雨，其日降水量经常可以超过当时大气的空中水汽含量的2倍。这也让人怀疑我们目前认可的空中水太小。

把一个物体放到台秤上，台秤就根据受到的压力而换算出物体的质量。我们也可以根据空气给予地面的压力而换算出大气的质量来。海平面附近的大气压强p大约是1013百帕。即每平方米地面受到的空气压力是101300N（牛顿）。这个压力也就是1平方米空气给予地面的重力。

根据牛顿第2定律，力等于质量乘以加速度。重力就等于质量乘以重力加速度。地球的重力加速度=9.81m/sec2,于是作用于1平方米面积上的大气压力=重力加速度*（1平方米面积上的空气质量），所以有：

101300=（9.81）×m， 这里的m是1平方米面积上的空气质量。于是

m=101300/9.81=10.33T

即地面附近，每平方米大气的总质量是10吨的水平。把这个数与地球的总面积5.11万亿平方公里乘，就获得了地球大气的总质量,5.3×1018kg。

这样我们知道了1013百帕大气压强对应的（体现的）全球大气总质量是5.3×10的18次方kg。显然（也依照道尔顿的气体分压定律），根据全球水汽压力的平均值大约是15百帕，我们按大气压与水汽压的比例（15/1013），就可以用相同思路计算出15百帕的全球水汽平均值对应的水汽质量应当是（5.3×1018kg）×（15/1013）。即全球水汽质量应当是7.8×10的16次方kg。

可是目前气象界公认的全球水汽质量是1.3×10的16次方kg。即它仅是上面计算值的1/6。这就是目前认可的空中水汽数量的第一个疑点。

气象学传统计算空中水的方法是依据各地、各个高度上的水汽密度对高度的积分而求得的（具体计算时改为分层求和）。难道这有问题？

如果具体分析这个计算方案，就知道它包括了对通用气体状态方程以及水汽的分子量是18的认定。

我们注意到，气象探空观测给出的是各层空气的相对湿度数值，而相对湿度，根据当时温度折算出水汽压力的计算也是正确的。但是，知道水汽压力以后折算水汽密度时，就依赖空气中水汽的分子量。如果分子量是18，那么过去的计算是对的。

但是应当注意到，水汽分子量是18，就表明水汽比干空气轻，于是水汽随高度递减的速度应当比干空气慢（密度小的气体应当在流体的上部）。可水汽压随高度而减少的速度反而比空气快。空气要到16公里的高空其压强值才是地面压强的1/10，而水汽则在5公里的高度上其压强已经是地面值的1/10了【[2]】。所以水汽随高度的迅速减少现象已经提示空中的水汽是比干空气更重的气体。即空中水汽不是以单分子的形态存在的。如果它是以6个水汽分子H20组成的聚合体的形式存在于空气中，那么从水汽压强折算水汽密度或者比湿的公式就需要修改【[3]】，而根据修改后的公式再计算空中含水量，它就是目前认可值的6倍，并且与前面根据水汽压力直接计算的结果一致了。另外这种6分子聚合体比空气重,它随高度递减的速度就与测量值也一致了!

在这种认识下，我们观测的空气相对湿度值，没有修改，水汽压强的数值也没有修改，但是新的水汽状态方程使计算空气密度、空气比湿的公式变了。用新公式计算的空中水数量就是过去认可值的6倍。即气象学多年来认可的空中水的数值仅是实际值的1/6。

在这种认识下，空中水资源的数量是过去认可值的6倍。

人们自然会问，为什么修改了水汽的气体状态方程？答案是一方面这样修改使水汽的不同侧面知识自洽了，另外一方面是化学上早已经指出即便是液体的水，它并不完全是单分子的，而可以是数个水分子的聚合体。所以，把空中水汽想象为多分子的聚合体，不是简单的异想天开，而是把聚合体概念延深到气象学中。自然这个做法是否完全符合实际，依然需要有关的实验的考验。这里它可以是100%的6分子的聚合体，也可能是2分子、3分子以及多分子的聚合体的混合物。对液体水的测量结果是温度越低，多分子聚合体占的比例就越高。关于水汽的对应情况有待实验回答。

显然，这是关于空中水的重要问题，它对空中水资源的总体认识以及人工影响天气的理论都有重要修正。

[1]张学文，周少祥，空中水文学初探，气象出版社，26-58页

[2]张学文，周少祥，空中水文学初探，气象出版社，33-40页

[3]张学文，周少祥，空中水文学初探，气象出版社，42-45页

本文引用地址：http://blog.sciencenet.cn/blog-2024-595241.html

kongfeng0824

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