一个公式推出的气候灾害影响？丨大气悟理
编者按：看寒来暑往云卷云舒，思古往今来气候变迁，中科院之声与中国科学院大气物理研究所联合开设“大气悟理”，为大家介绍大气里发生的有趣故事，介绍一些与天气、气候和环境相关的知识。
也许有人因为中学时期的地理科目以为大气科学属于文科范畴，事实上在气象学中实打实塞满了令人头秃的物理定律和数学公式。虽然失去了文艺气息，但用数字和运算符号就能探究万物运行的规律，也算属于理科的趣味和浪漫了吧。今天的故事，就要从一个方程开始讲起。
一个重要的方程
水是生命的起源，它以三种形态出现在地球的各个角落，从分子运动角度来看，水的相态变化就是水的各相之间分子交换的过程。在水面和大气的交界处，当水分子获得的动能超过周围水分子对它的吸引时就可以跑出水面，成为水汽分子进入大气中；同时大气中的水汽分子可能受到水面分子的吸引重新进入水中。
当温度越高，水分子获得的动能就会增加，可以挣脱周围水分子束缚跑出水面的水分子也就更多。如果大气中水汽浓度低，同样时间内从水面跑出来的水分子比落回水中的水汽分子多。这时一部分液态水变成气态水，这就是蒸发过程。
图1 蒸发和凝结示意（图片来自网络）
蒸发使得大气中水汽浓度增大，水汽分子间碰撞，落到水面中的机会也逐渐增加。在持续一段时间后，单位时间内跑出水面的水分子和落回水面的水汽分子刚好相等，大气和水面的水汽分子和水分子含量不再发生变化，达到平衡状态。大气就像“喝饱了”一样，无法容纳更多的水汽分子进入（在水面仍然有水分子和水汽分子跑进跑出的交换过程，只不过进出水面的分子数相等，因此也叫动态平衡过程）。此时大气中的水汽含量称为饱和水汽，大气中饱和水汽只受到温度的影响。我们看到的云、雾、露珠都是因为空气温度降低、饱和水汽压减小，多余的水汽凝结出来成为小水滴或者小冰晶。
图2 云的形成示意（图片来自网络）
水的气相和液相变化需要温度加持，1834年法国化学家埃米勒·克拉伯隆分析了包含气液平衡的热源热量交换后得出了一个方程，1850年德国数学家鲁道夫·克劳修斯为此方程作了严格的热力学推导。因此该方程以二人名字命名为克劳修斯-克拉佩龙方程，也称为CC方程。这个方程可以描述纯物质在相变平衡时气压随温度的变化率，虽然它符号字母并不多，看起来平平无奇甚至很简单，但它是热力学中重要的公式之一，相信很多同学都有过被它支配的恐惧吧。
一个让人忧心的发现
江河湖海的蒸发是全球降水的水汽来源，那么当全球变暖后蒸发过程会发生哪些变化，又进一步怎样影响降水呢？根据饱和水汽压的CC方程，温度每升高1K，在大气对流层的饱和水汽压就会提高约7%。而当CO2浓度加倍时，对流层低层温度的响应大约为3K，这意味饱和水汽将增加20%。水汽增幅如此可观，似乎全球变暖后我们真的要经常与“下雨下雪下冰雹”见面了呢。
来源：中国科学院大气物理研究所