最近，知社學術圈發表了「諾獎得主指責溫室氣體導致氣候變化是謊言——公眾應該相信什麼樣的科學家？」的推文。文中，John Clauser先生對碳排放導致氣候變暖的溫室效應理論進行了猛烈的抨擊，指出雲層對太陽輻射的反射和海水蒸發等因素未被正確認識，意指經典理論未真正掌握氣候變暖背後的物理機制。華北電力大學周少祥教授從熱力學基礎出發，對氣候變暖物理機制給出了自己的思考。對照John Clauser先生的指責，讀者不難做出自己的判斷。
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在經典理論中，溫室效應被定義為溫室氣體的紅外吸收與再輻射，然而佔幹空氣99%體積濃度的氮氣和氧氣不吸收紅外，自然不能因此致熱升溫，這說明經典理論存在根本性缺陷。
理論與實驗已證明水蒸汽凝結成雲的潛熱以輻射方式釋放，大氣中存在超越經典理論的物理機制。1965年Potter和Hoffman(1968)在探測水分子結構時意外地發現了水蒸汽凝結以輻射方式釋放潛熱，這是具有歷史意義的科學發現。但由於專業分科以及利益集團的阻礙等原因，使這一發現的科學價值迄今仍處於被埋沒的狀態。周少祥之所以看到他們的文章，是想知道自己是不是提出水蒸汽凝結以輻射方式釋放潛熱的全球第一人，2005年周少祥基於猜想及熱力學分析得出了相同的結論。2008年周少祥所寫「對雲滴凝結增長方程的質疑」一文在中文期刊《沙漠與綠洲氣象》雜誌上發表，這應該是全球第一篇從理論上質疑經典理論的學術文章。另外，Perel’man和Tatartchenko(2008)在熔融物質凝固結晶時也探測到類似的相變輻射特性，證實了Potter和Hoffman的結論。
全球氣候觀測資料顯示：
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在年度季節性氣候變暖、從極地至赤道的地理性氣候變暖以及IPCC第三次報告介紹的全球變暖，都是夜間增溫幅度更大，與水蒸汽夜間凝結更多且以輻射方式釋放潛熱的物理機制非常吻合，僅降水減少及乾旱地區除外。
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受人類活動影響最大最直接的城市熱島效應也主要發生在夜間。事實上，城市既是能源消費中心，也是水資源消費中心，二者均會導致大量水蒸汽排入大氣，它們會在夜間凝結輻射放熱。
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大氣無線電背景噪聲強度表現為夜間高於白天、海洋高於陸地、夏季高於冬季等，與地氣系統中水蒸汽凝結的輻射特性非常吻合。根據輻射頻譜的分佈規律，無線電噪聲應該是大氣中水蒸汽凝結輻射的低頻部分。而頻率越低，在大氣中衰減越小，傳播距離越遠，加之降水具有全球性，因而低頻無線電噪聲在大氣中具有背景性。
水蒸汽凝結潛熱以輻射方式釋放，這並不容易被理解。但在日常生活中，人們就可以體驗到這一物理機制的作用，只不過不清楚其中的物理機制而已。我們知道，在炎熱的夏季，每逢暴雨臨近，天氣往往異常悶熱。這是因為，降雨是高空的低溫降水雲逐步降落的過程，而這時的下層大氣中往往含有很高比重的水蒸汽，即空氣很潮溼，於是，降水過程會出現下層大氣中的水蒸汽在雲滴(冰晶或水滴)上的凝結。由於潛熱以輻射方式釋放，因此大氣中的熱輻射能量隨之增加，從而導致悶熱天氣的形成。又由於輻射傳播速度遠高於降水的行進速度，於是會以「悶熱的體感」是向人們預告暴雨即將來臨。
但所有這些，經典理論都無法做出合理的解釋。由於存在根本性缺陷，因此經典理論的錯誤會有諸多方面的表現，下面以2021年諾貝爾物理學獎獲得者真鍋淑郎(Syukuro Manabe)先生的獲獎論文(Thermal Equilibrium of the Atmosphere with a Given Distribution of Relative Humidity)為例給予說明。該文通過建立地球氣候模型及模擬計算，以證明二氧化碳濃度增加會導致全球變暖。諾獎組織評價其工作是現今氣候模型的基礎，但分析發現該文至少存在三個基礎熱力學錯誤。一是假設「地表熱容量為0」。根據熱力學，熱容量是物質質量與比熱的乘積。熱容量為0，意味著所討論的東西不在物質範疇，因此，假設地表熱容量為0，暴露了氣候變化問題的研究上熱力學基礎的嚴重缺失。
為便於讀者理解熱容量的作用及重要性，這裡以一個自然氣象現象為例子做簡要說明：冬季，只有草葉的上表面結露或結霜，下表面則不會。我們知道，草葉的熱容量很小，會很快冷卻並吸引空氣中的水蒸汽在其上表面結露或結霜。其下表面則在地表熱輻射的作用下，不結露也不結霜，這表明地表具有巨大的熱容量。
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熱容量的作用還表現在氣候的季節性冷暖變化上。事實上，全年氣溫最高和最低的月份與太陽輻射強度最大和最小的時期並不一致。在北半球，最熱的天氣總是出現在太陽輻射強度最大的夏至之後的7-8月份，最冷的天氣也總是出現在太陽輻射強度最小的冬至之後的1-2月份。如果地表熱容量為0，則不會出現這種延遲。顯然，「地表熱容為0」的假設是基礎熱力學上的認知錯誤。
二是其地表輻射能量平衡關係式未考慮海水蒸發的影響。事實上，海洋佔地表面積的70%，海水蒸發對地表有冷卻作用，如同酒精棉球擦拭皮膚的效果。不考慮海水蒸發，不足以代表地球，諾獎得主John Clauser先生對此進行了嚴厲的批評，顯然，他的批評無疑是正確的，但缺乏資料的支撐。
人為活動對地球環境的直接影響，首要的是化石燃料燃燒的熱效應。根據《BP世界能源統計年鑑2020》，2019年全球消耗的化石燃料燃燒的熱量為4.9234×1017kJ。根據聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第三次評估報告（TAR）中的資料：「長期全球平均降水量為984 mm/yr」。地球半徑為6370 km，水的密度為1000kg/m3，0℃水的汽化潛熱為2500kJ/kg，於是全球降水量對應的潛熱達1.254×1021kJ [=0.984×(4×3.14×63700002)×1000×2500]。顯然，全球降水量對應的潛熱是人為化石燃料燃燒總熱量的2547倍 [=1.254×1021kJ /(4.9234×1017kJ)]，足以使大氣整體升溫237℃。降水主要來自海洋蒸發，如此巨量的海水蒸發吸熱量被忽略，顯然是不合適的。
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三是文中給定了沿高程遞減的相對溼度分佈，並以此作為其大氣熱平衡計算的參考狀態。按此分佈，距離地面越高，相對溼度越低，空氣越乾燥，意味著全球的天空都不會有云。然而，儘管天空無雲層的時候並不罕見，但總的來說，地球表面的40%-60%被雲層覆蓋。珠穆朗瑪峰這樣的雪山冰川更是終年積雪。而珠穆朗瑪峰位於低緯度地區，接受的太陽輻射能顯著高於地表平均值。但由於其海拔超過大氣0℃溫度線，因此其山頂終年積雪。顯然，該文給出的相對溼度分佈不符合實際，不能作為大氣熱平衡計算的參考狀態。
從熱力學視角，任何物質的溫度都取決於其熱容量和邊界條件。由於熱容量的物理意義未被正確理解，出錯不可避免。事實上，二氧化碳的確具有溫室效應，但一定量的二氧化碳可以人工製成乾冰，這說明對於熱容量不大的物體，其邊界條件起著決定性的作用。太陽足夠大，以至於可以成為一顆恆星而自行發光和發熱，對此人類只能被動地接受，而毫無反作用能力。
如果邊界條件相同，物質的冷暖變化則取決於熱容量的大小。大氣中的溫室氣體處於大致相同的邊界條件，因而熱容量的大小至關重要。事實上，氮氣和氧氣不吸收紅外，溫室氣體吸收的紅外能量只能通過分子之間的碰撞傳遞才能使大氣整體升溫，所傳遞能量的大小即為其溫室效應，且正比於熱容量。
在熱力學分析中，海平面與海平面的大氣往往被視為處於熱力學平衡態。地球表面的平均溫度為15°C，相應的飽和溼空氣中的水蒸汽體積濃度約為1.70%，是目前二氧化碳體積濃度(400ppmv)的40餘倍。即便陸地表面空氣相對溼度取真鍋淑郎獲獎論文設定的77%，水蒸汽的體積濃度也有1.31%，是二氧化碳的30倍以上。濃度400ppmv的二氧化碳的密度為0.710 gm-3。1.31%濃度和15°C的水蒸汽密度為9.884 gm-3。水蒸汽和二氧化碳的比熱分別為1850J/(kg·K)和845 J/(kg·K)。因此，地表大氣中的二氧化碳和水蒸汽的熱容量之比約為3.4% [=0.710×845/(9.884×1850)]。如果以海平面的條件計算，這一數值只有2.54%，這一數量級的關係決定了大氣中水蒸汽的溫室效應遠高於二氧化碳。另外，全球年度降水量是大氣中二氧化碳總質量的近160倍，這說明大氣中還有大量的雲滴(水滴或冰晶)。它們對太陽輻射和地氣系統的紅外輻射都有相當比重的吸收能力，其溫室效應也不容小覷。綜上，不難得出結論，與大氣中的水汽相比，二氧化碳的溫室效應可以忽略不計。
然而，這些還不是最重要的。最重要的物理機制是水蒸汽凝結潛熱以輻射方式釋放，它決定了全球氣候變暖表現為且只能表現為夜間增溫幅度更大，只有降水量減少及乾旱地區例外。
根據IPCC第三次報告(TAR)：「自從20世紀50年代以來，全天最高和最低氣溫測量已覆蓋50%以上的全球陸地面積，平均日平均最低氣溫的增溫速率是最高氣溫的2倍，全天溫度範圍(DTR)減小0.8℃」。而澳洲學者布萊恩特在其專著《氣候過程和氣候變化》中指出：「···幾乎所有地面探測的增溫都是由於夜間增溫的緣故」。這些都充分反映了水、水蒸汽及水蒸汽凝結的作用。
下表資料摘自林之光和張家誠先生所著《中國的氣候》，這些資料揭示了年度的「自然氣候變暖」特性及其影響因素。將夏季(7月)各城市的日較差與冬季(1月)的資料進行比較，不難看出從冬到夏的自然變暖過程中，所有城市的變暖特性均為夜間增溫速率更高，全天溫度範圍(DTR)明顯減小。而眾所周知的是，伴隨著年度的自然氣候變暖，存在著降水量顯著增大的事實，說明這一年度自然氣候變暖特性與降水量的增大高度正相關。
中國南北主要城市日較差表（1951年至1980年）
注：日較差是全天最高溫度和最低溫度之差，也稱全天溫度範圍(DTR)、晝夜溫差。
更能說明問題的是表1中1月-4月的氣候變暖特性。北半球從冬入春的1月-4月是一年一度氣候變暖的前半程，從表中資料看，在1月-4月的氣候變暖過程中，地處南部的廣州和地處北方的哈爾濱和北京，以及地處中部的武漢，有著完全不同的變暖特性，卻有明顯的規律可循。4月份，地處南部的廣州處於梅雨季節，而位於北方的哈爾濱和北京則處於「天乾物燥」的風季。這時廣州的日較差最小，哈爾濱和北京的日較差則最大。即從1月-4月的氣候變暖過程中，氣候乾燥和潮溼地區的晝夜增溫速率具有完全不同的性質。南方多雨地區，夜間增溫速率高於白天，日較差減小更為顯著；地處北方乾燥地區的城市白天增溫速率更高，夜間的增溫速率相對較小(或者說因空氣乾燥、夜間的降溫幅度比較大)，即隨著氣候變暖，日較差增大；地處中部的武漢，其變暖特性介於二者之間，日較差則幾乎沒有變化。
如果我們考察從北到南的「地理性」氣候變暖，表中所列城市的所有時段，都是夜間溫度升高更多，日較差減小，與降水量和空氣溼度逐漸增大高度一致。而根據丁一匯院士所著《中國氣候》，我國年平均氣溫日較差最小的地方是島嶼(即海洋的影響)，其日較差一般在3.9-5.2℃之間；地處大陸腹地的西部乾燥地區的日較差最大，塔里木盆地、吐魯番盆地、柴達木盆地及青藏高原部分地區的日較差超過16℃；其他地區的資料介於二者之間。日較差的變化亦與當地降水及空氣溼度緊密相關，說明其反映的是氣候變化的共性。
由於全球平均年降水量對應的凝結潛熱是年度化石燃料燃燒熱量的2500餘倍，因此太陽活動的些許變化就可帶來遠超人類活動的熱影響。與之對應，天氣變化及季節性氣候變化主要表現為地氣系統的水汽變化如降水、雲及地表水的蒸發等，是太陽輻射的晝夜變化和季節變化所致。極端氣候現象中，水汽變化更為突出。二氧化碳的作用卻毫無顯現。
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至此，本文清晰地闡述了氣候變暖物理機制的真實情況。IPCC第四次報告(AR4)中有「雲量變化決定於厄爾尼諾現象，陸地晝夜溫度範圍(DTR)的廣泛(但不是全部)減小與雲量的增加一致」的結論，並承認「雲反饋仍然是氣候敏感性評估之不確定性的最大來源」。John Clauser先生顯然從這些已發佈的報告及文章的表述中關注到問題的關鍵之所在，但未給出正確的答案。
當然，經典理論存在的問題還不止上述這些，值得進一步的研究及爭鳴。潛熱以輻射方式釋放是超越經典理論的物理機制，值得進一步研究的東西也很多，諸如相變輻射是不是物質的固有熱力學性質，有什麼樣的特性和規律，不同物質的相變輻射特性有何差異，以及熱能究竟屬於什麼性質的能量和延伸關聯問題如新因素下的氣象預報等等，都非常值得探索，本文不可能給出全部的答案，因此謹作拋磚引玉之用。
綜上，儘管工業化以來二氧化碳的濃度增加了很多，但迄今也只有400ppmv(即0.04%)的水平，是大氣中的微量氣體，不應該具有主導氣候變化的能力，否則將與人類的基本常識相悖。因此，碳中和既無必要，也無法改變氣候變化的趨勢，但卻必然成為全球無法承受之重，將極大地阻礙世界經濟的可持續發展。全球面臨的挑戰眾多，如果繼續在一個錯誤的方向上浪費巨大的人力物力，將嚴重影響這些問題的解決，應儘快讓全世界的人民了解這一情況，阻止情勢滑向惡化的局面。
作者簡介：
周少祥，華北電力大學教授，主要從事熱力學基礎研究。發表文章70餘篇，2022年出版了《現代節能原理》專著（科學出版社，中國），2010年與新疆氣象所退休研究員張學文先生合著《空中水文學》(氣象出版社，中國)。