水汽的运动比空气快61%？--欢迎批判--

张学文

水汽的运动比空气快61%？--欢迎批判--

张学文，20190228

气象学历来认为在自由大气中，水汽散布在干空气中，它与空气是一起运动（没有饱和以前）的。它们的运动速度（即风速）应当是相同的。

今天我对此质疑。我考虑水汽应当比空气运动的快。

似乎应当快61%.这个认识对吗？

欢迎物理、气象学专家指正！

对此我这样考虑的：

1.        我承认水汽是混合在空气中的。其实大家都承认它们可以看作是理想气体单独存在，而且都符合理想气体的状态方程。

2.        大家都承认在自由大气中（距离地面1.5公里以上的空中）全球大气的运动基本符合地转风关系。而这是一种没有加速度的平衡的运动。地转风对应的运动是气压梯度力与地转偏向力维持平衡条件下的空气的平稳的、显著的空气运动。

3.        现在我们具体分析空气与水汽对地转风公式的运用。让我们在一个等高面上讨论问题（注意不是气象学经常用的等压面上）。而我们知道此时的地转风的速度与气压水平梯度成正比例，与空气密度成反比例。具体公式我就不列出了。

4.        我们应当承认大气压力是一种与面积成正比例的力。它不是与质量成正比例的力。所以单位横截面上的干空气与水汽它们受到的压力是相同的，对吧！

5.        为了分析问题，我们不妨根据水汽的数量计算出在相同压力下水汽占有相对体积，既此体积内都是水汽分子，但是它的温度、压力与原空气温度、压力相同。既此体积内的水汽与另外体积内的干空气混合（相同温度、相同压力）就是原来的湿空气。（就此可以设计一个理想实验：在标准状态下，取一根24升大的盒子，装入1摩尔空气，再把盒子内设一个隔离区，并且让它的温度、压力与其他部位相同，最后我们把水分子集中到这个隔离区，把空气赶出去）

6.        而根据理想气体的状态方程我们知道，如上的小体积内虽然与余下的干空气具有相同的压力、相同的温度，但是依据理想气体的状态方程，水汽的密度却比空气小，对吗？（1摩尔的水汽只有18克，空气是29）

7.        好，现在我们把地转风平衡的公式用到仅由水汽分子组成的小体积内。显然根据地转风公式，在大气压力梯度相同而水汽密度比空气小的情况下，水汽分子的地转风风速就比干空气地转风的风速大。

8.        由于空气的分子量是29，水汽是18，相同压力相同温度下的水汽密度与空气的比值是18/29，而地转风公式中气体密度在分子部位，所以水汽的地转风风速与干空气的地转风风速的比值是29/18=1.61，即水汽在伴随空气做水平运动时，其方向相同但是速度却快了61% ！

9.        如果本分析正确，那么我们过去用风速乘以比湿再乘以空气密度的计算水汽通量的结果几乎是面目全非了。

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落木萧骁

我认为你仅仅是提出了一个理论，影响水汽运动的因素可以有你说的这一点，但是也可以有其他大家都忽视的点，你的理论认为水汽快61%，其他未知因素也许就会让水汽慢61%。一切运动规律应当基于观测事实或者实验数据

freekiller

我觉得这个有点混淆概念了。就比如你乘坐300km/h的高铁从广州到北京，而你在火车里用900km/h的速度在火车里旋转。 你认为你从广州到北京的速度是高铁的三倍吗？

不当之处请包涵

张学文

freekiller 发表于 2019-2-28 22:35
我觉得这个有点混淆概念了。就比如你乘坐300km/h的高铁从广州到北京，而你在火车里用900km/h的速度在火车里 ...

空气是干空气分子与水汽分子的混合气体。两种分子都是自由运动的，而且受到的气压梯度力相同。但是干空气分子的体重大，29，水分子体重小，18。相同的外力作用与不同体重的分子上，结果轻一些的分子运动的就快。
这错了吗？

男紫汗

空气由氧气氮气等组成，这么说来水平运动中，各气体是一块一块的了？

张学文

男紫汗 发表于 2019-3-1 10:00
空气由氧气氮气等组成，这么说来水平运动中，各气体是一块一块的了？

“各气体是一块一块的了”
本文根本没有此意！

lqouc

张学文 发表于 2019-3-1 09:56
空气是干空气分子与水汽分子的混合气体。两种分子都是自由运动的，而且受到的气压梯度力相同。但是干空气 ...

张老师的观点很有趣，总能给我们带来一些不一样的思考。我个人觉得这个假设还是有些疑点。
1. 两种分子的运动并不能完全独立，还是会互相影响的，所以运动速度应该是接近的。
2. 如果考虑压力梯度，那是不是也要分开两类？水分子的运动要看水汽压的梯度而不是气压梯度。
3. freekiller的举例我是很认同的，这个高铁的比喻很好，就像是我们说的气团的概念。即便内部某些气块运动快一些，但是由于气团边界（比如锋区）存在，水汽很难单独突破过去，所以在现实的大尺度运动中可能并不容易找到张老师说的这种现象。

张学文

感谢关注
我们应当记得：理想气体就是在混合的情况下，各自的行为（独立的服从气体状态方程）与另外的气体是否存在无关。
类似的问题：相同的外力（如气压梯度力）作用于质量不同的物体上，根据牛顿df=ma公式，质量小的加速度就大！水汽分子就是质量小的质点

张学文

落木萧骁 发表于 2019-3-7 00:07
我认为你仅仅是提出了一个理论，影响水汽运动的因素可以有你说的这一点，但是也可以有其他大家都忽视的点， ...

欢迎任何人用实验验证。
冷静的想来空气是回阻止水汽分子跑得比它们快很多的。
需要找到检验的方法。