鲁道夫·克劳修斯：气候变化的揭秘者

作者：Annalisa Plaitano

编辑：Meister Xia

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克劳修斯-克拉佩龙方程在2021年的IPCC报告中出现了36次：要想了解其重要性，我们需要追溯历史。

气候变迁与海洋的发展史紧密相连：1824年，温室效应这一概念被首次提出。

埃米尔·克拉佩龙提出了热力学第二定律和理想气体状态方程（PV=nRT）。

来自普鲁士的鲁道夫·克劳修斯参考了克拉佩龙方程，并将其用于液-气平衡中。

据克劳修斯-克拉佩龙方程所示，气温每上升1°C，大气湿度就会增加约7%。

2021年8月，政府间气候变化专门委员会（IPCC）发表了其第六次评估报告的第一部分[1]，着重介绍了气候变化背后的物理学原理。IPCC报告旨在评估近期的科学出版物，提取科学共识，以供政策制定者参考。这份报告多次提到了鲁道夫·克劳修斯（1822-1888），而今年正好是他诞辰两百周年。

图片来源：鲁道夫·克劳修斯（1822 - 1888）

气候学十分复杂，要想了解它的起源和发展史，我们需要回顾过去几个世纪。

起源：海洋

气候变迁与海洋的发展史紧密相连，后者对气候调节至关重要。海洋学曾名海洋地理学，是一门非常古老的学科，它源于捕鱼、捕鲸，以及基于海洋的贸易和资源勘探。此前，人们对海洋的理解大多来源于奇闻逸事和地图，有时还涉及一些神秘学和魔法。这一现象直到16世纪才发生改变。

“气候学十分复杂，要想了解它的起源和发展史，需要追溯到几个世纪前。”

伽利略（Galileo）和托里切利（Evangelista Torricelli）所做的相关研究极大促进了温度计和气压计的发展。这两项于16和17世纪出现在意大利的发明对了解大气和海洋至关重要。

18世纪中叶前，由于无法确定海上经度，人们对海洋的了解，尤其是对海流的测绘工作大大受阻。航海计时器发明后，本杰明·富兰克林（Benjamin Franklin）等人推动了海流测绘工作的发展。

1855年，被誉为“海洋学之父”的美国人马修·方丹·莫里（Matthew Fontaine Maury）出版了《海洋物理学》（Physical Geography of the Sea）；1872年，苏格兰人查尔斯·威维尔·汤姆森（Charles Wyville Thomson）开始了第一次挑战者号远征。这两件事情标志了海洋学正式作为一门学科的出现。

发展：大气

1774年，皇家医学会和农业协会（Royal Societies of Medicine and Agriculture）成员，法国气候学家Abbé Louis Cotte出版了《气象学论著》（Traité de météorologie[2]）一书。该书被视为现代气候学的最早著作之一。

然而，直到19世纪初，研究人员才开始深入探索大气及其气体成分。1824年，正在研究热流数学分析[3]的让·巴普蒂斯·约瑟夫·傅里叶（Baron Jean Baptiste Joseph Fourier）首次在著作中提到温室效应这一概念。这位来自弗朗什·孔泰大区的物理学家兼数学家提出了一种假设，即大气层起到了绝缘保温的作用，如果没有它，地球将会成为一个冰球。

当时，人们并没有完全理解温室效应背后的大气作用。1861年，当人们激烈讨论冰期起源时，法拉第（Michael Faraday）在伦敦皇家学会（Royal Society）的继任者——爱尔兰物理学家兼冰川学家丁达尔（John Tyndall）发现，引起温室效应的主要气体是水蒸气，其次是二氧化碳[4]。这些气体会吸收部分红外辐射，其浓度的微小变化便会导致气候变化。其实，美国发明家兼女权主义者芙特（Eunice Foote）在五年前也得出过类似结论。但她的研究并没有得到广泛传播，自然而然也就被遗忘了[5]。

图片来源：PI France

随后，来自瑞典的诺贝尔化学奖得主斯万特·阿伦尼乌斯（Svante Arrhenius）证明了碳循环和温室效应的联系，即大气中二氧化碳浓度的增加会导致温度的大幅上升[6]。根据他的计算，如果大气中的二氧化碳浓度增加一倍，平均温度就会上升4℃至6℃，这与目前的估计相差无几。令人遗憾的是，科学界直到20世纪50年代才接受二氧化碳对大气的影响。除此之外，阿伦尼乌斯还提出，不断增加的二氧化碳浓度应该归因于煤和其他化石燃料的工业使用。只不过，他认为这是一则好消息——毕竟，未来人类不会再受冰河世纪的困扰。

进阶：IPCC

最后，让我们回到IPCC第六次评估报告中提到了36次的克劳修斯-克拉佩龙方程。埃米尔·克拉佩龙（Emile Clapeyron，1799–1864）是一名巴黎工程师兼物理学家，他于1816至1818年间在巴黎综合理工学院（École Polytechnique）就读，随后前往国立杜埃高等矿业学院（École des Mines）深造。他在职业生涯早期极大推动了桥梁工程方面的相关进展。出于对铁路的浓厚兴趣，他开始研究并监督蒸汽机的生产，并重点关注如何提高机车效率[7]。

如今被视为热力学创始人的萨迪·卡诺（Sadi Carnot）在当时却鲜为人知。卡诺去世后不久（年仅36岁），克拉佩龙意识到了卡诺工作的重要性，于是开始投身热力学。他不仅大力推动了热力学的发展，还降低了其复杂度。克拉佩龙提出了热力学第二定律和理想气体状态方程（PV=nRT），并描述了单组分系统在相平衡时，气压随温度的变化率（克拉佩龙方程）。

“克劳修斯参考了克拉佩龙方程，并将其用于液-气平衡中。”

几年后，热力学的另一位奠基人，普鲁士的物理学家兼数学家鲁道夫·克劳修斯（1822-1888）对热力学第二定律进行了重新描述：“热量总是自发地由高温处向低温处传递。”他还提出了熵的概念。除了在苏黎世联邦理工学院（Zurich Polytechnic）以及柏林、维尔茨堡和波恩的大学从事教学活动外，克劳修斯还促成了不少19世纪物理学的重大发现，并参考了其同时代的卡诺（Carnot）、焦耳（Joule）、开尔文（Kelvin）和克拉佩龙的研究成果。正是克劳修斯参考了克拉佩龙方程，并将其用于液-气平衡中[8]。

展望：克劳修斯-克拉佩龙方程

克劳修斯-克拉佩龙方程对于研究气候变化至关重要。据克劳修斯-克拉佩龙方程所示，气温每上升1°C，大气湿度就会增加约7%，即在全球范围内增加1%-3%左右的降水。简而言之，该公式有助于我们理解云、雨、雪的形成，并预测极端天气事件，如降水频率和年度最大降水量的增加、风速变化、洪涝等。此外，湿度上升相当于水蒸气质量增加，从而加剧温室效应，形成正反馈循环。

因此，在全球层面，克劳修斯-克拉佩龙方程是帮助我们预测未来的有效工具。而区域层面则将视地方条件而定，这一点与亚历山大·冯·洪堡（Alexander von Humboldt，1769-1859）在研究拉美地区不同气候条件时得到的结论不谋而合。

Annalisa Plaitano

参考资料：

1.https://www.ipcc.ch/report/ar6/wg1/

2.https://gallica.bnf.fr/blog/30112015/lhistoire-de-la-climatologie

3.http://perso.ens-lyon.fr/patrick.flandrin/ Fourier250/Dufresne-lamet-2006–1.pdf

4.https://planet-terre.ens-lyon.fr/ressource/ histoire-effet-de-serre.xml

5.https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsnr.2020.0031

6.Comprendre le changement climatique de Lawrence M. Krauss, publisher H&O science

7.https://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k6489450f/f291.item

8.https://www.researchgate.net/publication/240904514_From_the_ Arrhenius_to_the_Clausius-Clapeyron_Equation

Annalisa Plaitano

科普工作者

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