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小议负熵与全球熵增或熵减问题

已有 8031 次阅读 2009-6-20 12:24 |个人分类:认识论|系统分类:观点评述

小议负熵与全球熵增或熵减问题

 

一个热力学体系(如房间、发电厂、地球大气系统等)要维持其有序结构或状态就必须对外放热,这一过程无论是自然的,如地球大气系统对宇宙空间的长波辐射放热;还是非自然的,如对房间制冷及燃煤发电等系统要对大气环境放热,都是如此。

 

吸热使体系熵增加、放热是体系熵减小。体系熵减是维持体系有序结构或状态的根本保障,也应是某些体系从无序状态通过所谓的“自组织现象”而达到有序状态的内在原因(针对无生命体系,目前还未得到确切观测),因此出现负熵概念。

 

普里高津(Prigogine)定义的“耗散结构”:在开放和远离平衡的条件下,在与外界环境交换物质和能量的过程中,系统通过能量耗散过程和内部的非线性动力学机制形成和维持的宏观时空“有序”结构称为耗散结构。

 

所有人造系统(航天系统除外)均以地球大气为其“负熵”源,一切人为活动均导致地球大气系统的熵增;而地球大气又以宇宙为其负熵源,这是维持地球大气系统(简称地气系统)沿高程存在的、由地球引力决定的温度梯度、压力梯度和密度梯度这一时空有序结构的一个重要热力学机制。

 

从宏观角度看,地气系统因接受太阳辐射而熵增,而因对宇宙红外辐射而熵减,从而维持了地气系统温度的基本稳定。但从更深层次看,则主要是水吸太阳辐射而汽化,在地气系统沿高程的温度差、密度差及压力差作用下,水汽向上做扩散运动,并随大气温度的降低而凝结,水汽凝结的体积巨减而对大气作功,从而形成风能(这一说法与大气物理学存在严重分歧,但有巨大能量的飓风和龙卷风中心全都是低温水这一观测事实作为重要支撑)

 

事实上,地气系统是有个高度有序的耗散结构,可以视为一个热机,它以太阳能为能源,以大气为高温热源,以宇宙空间为低温热源,以水蒸汽为工质,通过热辐射将水蒸汽的潜热释放到宇宙空间(与大气物理学关于水蒸汽凝结通过热传导将潜热传给周围大气不同),水蒸汽凝结的容积缩小从而完成对大气的作功过程(即以风能为输出产品),实现“热能动力循环”。

 

目前的主流理论认为,人为活动导致CO2等温室气体排放增大,从而使全球气候变暖,即全球熵增。但是稍加计算不难证明,这部分热量及其作用与大气中水蒸汽凝结释放的潜热比,简直是小巫见大巫,完全可以忽略。

 

更关键的是CO2等温室气体吸收地面长波辐射,其温室效应作用与太阳辐射的关系不大,也就是说由于CO2等温室气体的温室效应昼夜幅度应相同。但不幸的是,全球气候变暖的实际是夜间增温幅度是白天的2(见联合国IPCC第三次报告),这说明基于CO2等温室气体的气候变暖理论存在着严重的缺陷。

 

从我国近几十年来的统计,大气中的水汽量增大、云层增多,这说明大气的热容量明显增大,由于水的特性,其必然结果应该是大气最高温度变化不大,但最低温度会明显增高。而城市及周边的能源利用及人为活动直接导致当地大气中水汽量的增大(燃煤电厂中60%以上的燃煤热值最终都以水蒸汽的形式进入大气),水蒸汽凝结以辐射方式释放潜热,是更为重要的热岛效应。但这部分的能量与太阳辐射产生的水蒸汽的能量相比,小得几乎可以忽略(但对局部地区如城市有明显影响),因此,人为活动对全球气候的影响总的来讲是不大的。

 

我们知道,大气中的水汽量增大了,云层也增多了,到地面的太阳辐射有减小的趋势(这方面的学术文章不少),但我们却并不知道太阳投入到地球大气层上方(对流层上方)的辐射能变化,因为目前的监测都是在地面进行的。也就是说,在这样的条件下,我们是无法确认导致全球气候变化的真正原因。

 

事实上,我们连目前的天气变化都不是预测得100%,前天傍晚接到有关方面的短信通知,要预防雷暴的袭击,但是事实上,整个夜间好像没发生说明?——又一次的误报。

 

其实出现误报是正常的,天有不测风云嘛!应当承认目前的预报水平大大的进步了。但是这给我们一个感觉,短期的天气预报都不是100%准确,那么远期的气候变化就可以准确预测吗?我很怀疑。但是正是在这种水平下,一些人却敢断言,全球气候变暖不容置疑,他们真够大胆的!真够让人汗颜的!

 

由于大气物理学关于水蒸汽凝结将潜热热传导给周围大气存在着严重的理论问题,如果说地球熵增了,那么我个人认为其绝大部分原因在于太阳而非人为活动。

 

附一:大气物理学(大气热力学)是大气温室效应及全球气候变暖的理论基础,大气物理学在描述大气中云滴增大时,认为“水蒸汽凝结释放的潜热既升高了水滴表面温度,又向外传导热量”,但这种然而仔细分析一下,不难发现这一过程的完整热力学解释是“低温大气中的水蒸汽凝结在高温的水滴上,一方面使水滴表面温度升高,另一方面还返过头来通过热传导将潜热传给包括低温水蒸汽在内的周围大气”,这显然违反了热力学第二定律。

 

附二:人为系统以地气系统为环境(or热阱、热沉、热汇、负熵源),地气系统(包括太阳等星体)以宇宙为环境(负熵源),这种有序的能量传递背后是热力学第二定律的作用。而从一般意义上看,宇宙间的辐射是最根本的能量传递,其间是否存在能量耗散是热力学第二定律是否具有普适性的唯一判据,如果不存在耗散,则直接否定了第二定律的普适性;如果存在耗散,则要问耗散如何发生?耗散的能量去了哪里?这是解释宇宙学问题的关键,因为,辐射能的波长变化是其能量品质变化的一个标志,光谱红移的原因需要重新解释。事实上,多普勒红移与距离无关,而哈勃测得的光谱红移却与距离有关,因此将光谱红移解释为宇宙膨胀实在没有道理。

 

 



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