轻的水汽水分为什么往下沉？--气象学里存在”水汽悖论”？！之-2-

张学文

轻的水汽水分为什么往下沉？--气象学里存在”水汽悖论”？！之-2-

张学文，2015/4/26

我们在生活中经常看到比较轻的东西会往上飘:氢气球是如此,菜汤里的油花浮到水面也是例子，钥匙掉到水桶里往下沉从另外一个侧面也体现这个道理。

现在问在干空气和水汽混合而成的空气里，水汽是否也应当往上飘呢？按照物理学与化学的基本知识，水汽是可以混合在干空气中的。由于干空气的分子量大约是29，而水汽分子量是18，在它们都是理想气体时，29克的干空气，或者18克的水汽在标准状态下都占有相同的体积22.4升。即在相同的温度、压力下，水汽的密度比干空气小，或者说在相同的体积、压力、温度下水汽比干空气轻。

于是我们自然认为当干空气与水汽混合在一起时，低层的空气中干空气的比例多一些，而上层的空气中，水汽的含量要多一些。如果用气象学的术语来表达这个认识就是：水汽与空气质量比值（称为比湿）应当是上层大下层小（氢气球自动上浮，菜汤里的油花飘在水面上都是旁证！）。

但是大量的气象观测证实，大气中的比湿基本是处于低层大而上层小的状态。另外一种表达这个问题的语言是：空气在5.6公里的高空其压力仅为地面大气压力的1/2（500百帕），而水汽在5公里高空仅为地面水汽压力的10%到20%。

下面是高空气候学（邹进上等）一书243页中的比湿垂直分布情况。注：表的第1列被我改称为大气的相对含量了，而这种改动又不失准确性。即本表对比了大气在垂直方向的逐步减少（相对量）时，水汽的相对减少要快得多。它体现着水汽更集中在低层。

表1 中国的一些气象站的水汽相对含量随高度（以空气相对压力表示）的减少情况

空气柱中大气的相对含量%	1月（水汽的相对量%）				7月（水汽的相对量%）
	北京	汉口	广州	西沙群岛	北京	汉口	广州	西沙群岛
30	2	3	3	1	2	3	2	2
40	6	7	7	4	6	8	7	8
50	11	15	15	8	17	15	14	16
60	22	30	30	16	24	27	26	28
70	44	45	57	30	38	42	40	39
85	56	61	85	65	64	68	68	62
100	100	100	100	100	100	100	100	100

于是我们问比空气轻的水汽为什么反而往下沉，而不是往上浮？

遗憾气象学不提这个与物理学相悖的气象现象的物理原因。而这也是我们提出空中水汽悖论的重要角度。

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兰溪之水

张老师是否有考虑到温度的垂直分布，是否可以从饱和水汽压的角度解释？

张学文

兰溪之水 发表于 2015-4-30 18:57
张老师是否有考虑到温度的垂直分布，是否可以从饱和水汽压的角度解释？

我不理解这个话的含义

兰溪之水

张学文 发表于 2015-5-2 18:28
我不理解这个话的含义

就是温度的高低会影响空气中能容纳水汽的多寡，如果温度很低的话，水汽很多可能都转化成了液态水或固态水

张学文

兰溪之水 发表于 2015-5-2 19:30
就是温度的高低会影响空气中能容纳水汽的多寡，如果温度很低的话，水汽很多可能都转化成了液态水或固态水

1.空气在没有降水时，多处于未饱和状态。不宜作饱和空气处理。
2.在发生大降水的状态下，水汽压力随高度的变化基本符合所谓湿绝热大气状态，此时的水汽更便于理论计算，而它也是低层多上层少（见热力学图表中的湿绝热线）。

雨爱新天使

太有深度，是高手才有讨论的空间啊

飘舞冰蓝

大气是静力平衡的

张学文

飘舞冰蓝 发表于 2015-5-31 11:10
大气是静力平衡的

承认大气是静力学平衡就包括承认空中水汽的静力学平衡。而水汽的静力学平衡对应的空中水是目前根据探空计算的空中水的6倍！

我们需要面对、解释这个矛盾！

超台十八

我猜主要是水汽源在海洋和变相的问题。湿空气确实容易上升，但很快就变水滴了。

臭氧很重，但源在平流层，所以地面也少。

我想可以看看其他成分好一点，水汽可能看不到。

dafage66

空气不是单一分子量为29的双原子气体，由很多种气体组成，按照提出的逻辑，那是不是重一点的氧气应该往下沉，轻一点的氦气往上浮呢？