论大气基本物理参数“相对湿度”测量技术的理论误差 摘要:根据量子化学的最新研究结论,在地球宏观大气环境中水蒸气并不存在单分子状态,而是多种不同水蒸气分子簇成份的混合物。在这样的条件下,本文通过对近似气体的分馏概念,讨论了露点法湿度测量技术是否能测量出大气的正确含水量,以及在这样的条件下的露点法湿度测量的理论测定误差。 1. 引 言 “湿度”是影响地球大气层气候状态至关重要的一个基本参数。然而,“湿度”的测量却是大气测量技术中的一个难题,由于直接测定大气中的水分含量是一件十分不容易的工作。所以近100年来,关于大气的“湿度”都采用间接的测定露点温度的办法。首先先测定“露点温度”然后再推算出“相对湿度”然后再换算到“绝对湿度”的间接的、过度的测量手段。100多年来露点法已经成为湿度测定的经典和标准,在科研和工农业生产中得到了迅速发展的广泛应用。但是,露点法测定相对湿度还是面临着许多难堪的问题。除了精度低(理论最高精度不能超过±1%),测定读数不可靠之外。测定的不确定度是露点法的一个致命弱点。 湿度的测定和控制除了在常温常湿环境中的应用外,在一些现代重要的工业产品的生产环境中,在航天、国防等重要部门,需要超高湿度和超低湿度的控制。而湿度测量的不确定度会直接导致劣次产品比例的上升。所谓的不确定度如从通俗的角度来理解,也可以称为自检能力。 2.相对湿度测量设备所面临的自检和自我校准的困境 无论是哪一种计量工具,长度单位的测量仪器也好、重量单位的测量仪器也好、测量时间的钟表也好。都要能达到自检的要求。自检似乎是作为度量衡器具最起码的要求。但是已知各种“相对湿度”的测量仪表,不管是哪一种却没有一种可以达到自检的要求。 所谓精度自检,就是对于任意的一种计量技术,用这种技术自己通过一定的方式来检查这种计量技术自身精度的做法。 例如长度计量,我们使用的是尺。如果有二把是米尺,六把市尺。那么首先这六把市尺必须是同样长短的。二把米尺也必须是同样长短的。其次任意的三把市尺加在一起应该等于任意一把米尺的长度。这就是长度计量最低要求的自检方式。 例如天平的砝码,相同量值的砝码必须重量相等,一个10克的砝码,必须和一个5克、两个2克、一个1克的砝码加在一起的重量相等。…… 那么,适合湿度仪的自检方式是什么样的呢? 现代物理学告诉我们,存在于大气中的水蒸气在处于不饱和状态的时候,当其他大气参数发生变动的时候,湿度的量值将发生符合分压定理,也符合气态方程的变化。 所以,对于任意环境的未知湿度气体,当气体样本处在密封条件下的时候,样本所包含的水蒸气又不发生相变的条件下,不管该密封环境的温度,体积或压力有怎样的变化,任何时刻这个样本气体的“相对湿度”的量值是可以按照气态方程严格地计算得到的。因而,校验一个湿度仪测量的数值准还是不准。只需要对同一个环境的被测气体多取几个样本。分别调整这些样本的温度、压力和体积为不同的状态。然后,分别检查湿度仪能否从每次不同调整状态样本气体的测定中得到符合计算结果的“相对湿度”量值就可以完成自检的要求了。 “湿度”的测定其实根本不需要制造什么标准湿度发生器。但是,作为湿度计量的标准仪器——“露点法湿度测量技术”却偏偏不能做到自检这一点,不能通过这样的自检过程。而且,凡是经过了标准湿度发生器校准的任何其他类型的湿度仪表都不能通过这样的自检过程。 在这些自检条件下,现有湿度仪得到的测定值往往表现为和计算值相比没有规则的,上下窜动的结果。这个现象使全世界的计量研究人员至今无措手足。迫不得已,湿度计量专家就制定了一整套的湿度仪校准规范。最后规定,只能以经过校准的湿度仪在环境条件下的测定值作为确定值。 从计量技术的通义上来说,通不过自检过程就说明这个方法不正确,通不过自检所测定得到的数值就是错误的。所以对于无法达到自检要求的“露点法测定技术”来说,这“露点法”的技术和理论就应该是错误的。 3.现代水蒸气的背景技术 进入21世纪,关于水蒸气在量子化学范围内的一个重大研究成果就是: 水蒸气分子在宏观大气环境里并不存在单分子结构的实验和研究。 有关实验的报告和论文、著作,已经很多。自然大气环境中不存在单分子状态的水蒸气的宏观事实。也已得到科学界的普遍认同。但是,奇怪的是,这样大的实质性发现,却在所有和水蒸气有关的物理、气象、航天航空航海、干燥技术以及生物、医学、农业等领域没有继续引起一点点的波浪或水花。这难道不值得深思吗? 关于水的各种异常的理化特性,一直是人们研究的重点。许多和水有关的不解之谜、世界难题,难道不能在这个量子化学的发现中找到一点启示吗?有关水分子簇的探讨,早在1887年就有人已经提出了。但是这些都是在固态和液态的水的环境里的讨论,对于气体,对于气态的水蒸汽和水蒸气分子簇有关的研究却是21世纪的最新动态。 4. 气态水分子簇概念 根据一些报告气态水分子簇的事实主要表现在三个方面: 1.水蒸气在大气中以远不止一种(通常超过5-6种)的、相对稳定的络合结构(分子簇)形式存在,用化学分子式来表示就是: n* H2O 这或许是一个不太容易理解的化学概念,那么让我们用一句及其通俗的语言来描绘的话,就是: 原来: 我们都以为已经是十分了解的水蒸气,却是一种我们并不了解的、由好多种不同的水蒸气成分组成的混合气体。 2. 各种水蒸气分子簇成分,在温度和压力的变动中存在动态的平衡过程。 3. 温度越低,n数小的分子簇成分越少。 未完 |
6. 结论 从上面的分析指明了,露点法湿度测定是一种包含“理论性设计错误”的测定方法。 对于从露点法这样的一个低估了湿度或扩大了干度的湿度测定方法,其测定误差的根源是因为大气中的水蒸气是由许多不同n数的分子簇成份造成的,100多年前的露点法湿度仪的设计者,100多年前的科学并没有了解到水蒸气本身是混合气体的实质,因而是露点法湿度仪的测定误差是属于一种设计理念上的错误,所以这种错误是无法避免,也不可能用任何方法来校准的。 因而,作为湿度测定基础和标准仪器设备——“冷镜式露点湿度仪”。其实只是 错误地测量了大气环境中所有水蒸气中的极小一部分,而没有测量到所有水蒸气的全部成份。 在认清了这样的一个客观错误事实之后,从现在开始,不管是在气象还是航天等什么行业的范围里,如果继续地使用冷镜式露点仪作为相对湿度的标准测定手段或者以由冷镜式露点仪校准的各种机械或电子湿度仪器来测量湿度,就是一种明知故犯和固步自封了。 7.展望 计量技术一直没有满足于露点法湿度测量的不确定性,所以各种新的类型的湿度测量手段,也一直有推出,诸如,利用红外线或微波来远距离测量相对湿度的仪器。正是当前湿度测量技术的热门项目。但是,这些新的测量手段同样面临一个,是测量全部的气态水分子簇家属的含量还是测量这些气体水分子簇成分中的一种。是测量和露点法所测到的哪一种的分子簇成分,还是测到了另一种露点法所没有测到的成分? 甚至于气象卫星的云图,红外水汽图,目前都是按照“露点法湿度测定”的读数来校准。因而,也就不知道倒底代表的是水蒸气家属中的哪一种? 当科学还没有充分地认识大气中水蒸气分子簇的实际状况的时候,露点法的测定结果确实给科学研究特别是气象学的研究带来了不少疑难,事实上,在许多理论上本来应该是接近100%湿度的环境,在露点法面前就变成是远不饱和的了。这种严重的测量错误大幅度地误导了理论物理和理论气象学对于云微物理过程的研究。造成了一系列严重的错误判断。直接导致了许许多多在气象学里的错误理论和概念。 需要认真对待的是: 露点法100多年来,已经是根深蒂固了,错误的测量结果在事实上已经被科学界完全地接受了,并且由此推出了一大批的误导性的后继理论。 例如关于水汽输送的理论,水蒸气过饱和的理论等等,就是这样的一些以被低估的湿度测量值为依据的典型后继错误理论。 新的能够通过自检要求的湿度测量仪器已经应运而生。 然而,科学面临的不仅是全面更换所有的湿度测定仪器的问题。那些在各种科研领域,被露点法错误测定值误导的一系列的理论和研究必将迎接一个海啸般的冲击而重生。 |