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晏成和
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评2021物理诺奖及其物质物理基础

(2021-10-10 19:08:09)
标签:

物理诺奖

气候变暖

温室气体

红外线

分类: 专业杂文

 探讨温室气体的微观机理

                             晏成和

2021年诺贝尔物理学奖授予三位气象学家,并且是偏重数据、复杂系统计算。气候、觉得与我探讨的物理关系不大。今天定睛一看,报道有偏,复杂系统计算的背后,紧密依靠着物质物理的原理,与我的物理探讨息息相关。

 

日裔美籍科学真锅淑郎、德国科学家哈塞尔曼因“建立地球气候的物理模型、量化其可变性并可靠地预测全球变暖”;意大利科学家帕里西 “发现了从原子到行星尺度物理系统中无序和波动的相互作用”。如今的科学报道一般比较拗口,“复杂系统” 随机性和无序性。

用大众语言,真锅淑郎依据全球温室气体浓度升高的数据制作了物理模型,预测了全球气候的变暖,这些年逐年都得到验证,并且还在继续兑现,这是一个涉及全球的宏观的物理模型,取得成功,获奖实至名归。

为了解二氧化碳增加如何导致气温升高,真锅淑郎把空气对流而产生的垂直输送以及水蒸气的潜热纳入其中。他构建了一维模型,深入到大气上空40公里,并通过改变大气中气体的浓度来测试模型。他发现,氧气和氮气对地表温度影响可忽略不计,而二氧化碳的影响则很明显:当二氧化碳水平翻倍,全球温度上升超过2摄氏度。这是一个很好的实验,数据完美、符合事实。

天气混乱多变人所共知,可是一般二氧化碳只约占大气的0.031%,比例这么小的二氧化碳在巨量的大气中哪来这么大的神通?这个气候模型可靠吗?

10年后,哈塞尔曼创建了一个“哈塞尔曼模型”。在这个模型中,具有长记忆的系统集成了随机驱动力,从而将白噪声信号转换成为红噪声信号,这个模型以频谱能量密度的计算为主、用数学手段解释了气候中为何普遍存在中低频能量(红外线)的作用,支持真锅淑郎的实验。

意大利科学家帕里西则是聚焦于微观尺度,研究温室气体究竟是什么,它是怎样让气候变暖? 1980年左右,他发现了随机现象如何受隐秘法则的支配,他试图用一个统计物理学的模型系统,来模拟真实的物理系统。他的研究与一个有趣的概念密切相关——“自旋玻璃”。这可不是一种玻璃,而是具有铁磁相变、磁性合金材料的一种亚稳定状态。“自旋玻璃”是一种超复杂和混乱的系统。

对于帕里西这些超复杂和混乱的系统和哈塞尔曼模型频谱能量密度的介绍,来自相关资料,要弄清楚那些新名词已经相当困难,我也不打算进行深入探讨。因为他们的研究受到量子理论的禁锢,回避核外电子规律运动,背离自然真实,不知道温度与核外电子速率的紧密联系。我的物理探索已经有了温室气体导致全球气候变暖的简单解答。

 

真锅淑郎的实验是很有意义的,他发现,氧和氮对地表温度影响可忽略不计,而二氧化碳的影响则很明显。大气中氮气约占78.1%,氧气约占20.9%,得奖者的理论和计算很复杂,但是没能回答为什么占大气99%的氧和氮对地表温度影响可忽略不计,而占大气0.031%的二氧化碳作用巨大?

在拙文《物质与波》说到,分子就是价和电子运转包裹的结构元,温度高-价电子运转速率高;当物质价电子速率高于环境温度,核外电子跃迁辐射相应速率(频率)的电磁波;当物质价电子速率低于环境温度,核外电子吸收外界相应(稍高)频率的电磁波,提升自身速率。于是就有了热力学第二定律。

但是这种辐射和吸收电磁波有一定的区间,古老的维恩定律:不同温度的物体发出的光谱在不同波长处达到峰值。这个峰值就是黑体辐射的驼峰形状的曲线。也就是每一种分子、它辐射和吸收电磁波有其专门的频率区间(驼峰形状区间),这个区间的位置,与分子价和电子速率相关。或者是:每一种分子的价和电子、只能辐射和吸收与其速率相应频率的电磁波。没有复杂系统、也没有随机性和无序性。

 

大气中的温室气体以二氧化碳为主,还有甲烷、氧化氮、氟碳化合物等等等,温室气体在大气中所占的比例都非常小。但是它们价和电子的速率一般在每秒2.8X10^14转,也就是2.8X10^14HZ,这正好是接近红外线光波的频率。它们的核外电子正好吸收外界较高频率的红外线,并且提升自身速率,形成高温气体。当环境温度低,高温气体跃迁向外辐射红外线、提升环境温度。

于是,温室气体就成了地球的保温被,阳光中的红外线;地面、海面所反射的红外线在经过保温被都被温室气体大量吸收、储存,然后缓慢的向地球释放,让地球温度持续升高。温室气体的比例虽小,但是乘以地球气体总量,数据十分可观。

从上世纪的80年代地球的二氧化碳量为310ppm ~320ppm 到现在已经增加到约410~420ppm 的水平(310ppm:百万分之310, 0.031%),导致了温室效应明显的加强,全球范围内气温的升高虽然不到2,但是热浪、暴雨、洪水、干旱、强台风等极端气候现象频繁出现,更为严重的是雪山的雪线上抬,冰川较大面积地融化,造成一些列的严峻问题。



有人会问,0.031%的气体就会产生这么严重的后果,那些90%以上的氮气、氧气怎么就不吸收、保存红外热量?这个提问非常自然,却也是令当代物理头疼的问题,因为现代物理量子理论规定,不得讨论核外电子速率。

哈塞尔曼的模型,将白噪声信号转换成为红噪声信号,把全频引向中低频,让低频的红外线发生作用;帕里西则是用“自旋玻璃”、铁磁相变,让二氧化碳吸收热量,理论牵强,达到折中,但是没有触及量子底线。

 

我在之前的文章《天为什么是蓝色?》说到,地球周围的大气层主要成分是氮气(78%)、氧气(21%)。这氮气、氧气的分子都是核外电子包裹着两个原子高速旋转,这两种气体的价电子的速率都很高,达到了每秒6.5X10^14转,也就是6.5X10^14HZ,这正好是蓝色光波的频率、是蓝天形成的原因。也就是氮气、氧气的分子价和电子的运转速率在蓝色频率附近、伴生的电磁波频率正好就是蓝色。

因为氮气、氧气的分子的价和电子的运转速率极高、以蓝光频率高速旋转,它们辐射和吸收电磁波的频率区间在蓝色光频率附近,离红外线的频率较远,根本就不理会红外光。所以就有真锅淑郎的实验,氧和氮对地表温度影响可忽略不计。

在火光中,大自然告诉我们温度直接关联核外电子速度-温度高火光频率高。可是在研讨温室气体、气候变暖的学术讨论中,不涉及基本的核外电子速率、不涉及价和电子吸收或辐射电磁波,让科学现象成为无本之木、让学术在无中生有中探讨,是何其困难!

价和电子把原子结合成为结构元,不同分子价和运转速率不同,在各自速率处达到峰值。这个峰值就是黑体辐射的驼峰形状的辐射曲线。温室气体的价和运转速率在红外光附近,因此能够吸收红外线,提升速率(升温),向环境温度低的地方辐射红外线,提高了地球大气温度。

                              2021/10/9

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