轻的水汽水分为什么往下沉？--气象学里的”水汽悖论”之-2-

张学文，2015/4/26

我们在生活中经常看到比较轻的东西会往上飘:氢气球是如此,菜汤里的油花浮到水面也是例子，钥匙掉到水桶里往下沉从另外一个侧面也体现这个道理。

现在问在干空气和水汽混合而成的空气里，水汽是否也应当往上飘呢？按照物理学与化学的基本知识，水汽是可以混合在干空气中的。由于干空气的分子量大约是29，而水汽分子量是18，在它们都是理想气体时，29克的干空气，或者18克的水汽在标准状态下都占有相同的体积22.4升。即在相同的温度、压力下，水汽的密度比干空气小，或者说在相同的体积、压力、温度下水汽比干空气轻。

于是我们自然认为当干空气与水汽混合在一起时，低层的空气中干空气的比例多一些，而上层的空气中，水汽的含量要多一些。如果用气象学的术语来表达这个认识就是：水汽与空气质量比值（称为比湿）应当是上层大下层小（氢气球自动上浮，菜汤里的油花飘在水面上都是旁证！）。

但是大量的气象观测证实，大气中的比湿基本是处于低层大而上层小的状态。另外一种表达这个问题的语言是：空气在5.6公里的高空其压力仅为地面大气压力的1/2（500百帕），而水汽在5公里高空仅为地面水汽压力的10%到20%。

下面是高空气候学（邹进上等）一书243页中的比湿垂直分布情况。注表的第1列被我改称为大气的相对含量了，而这种改动又不失准确性。即本表对比了大气在垂直方向的逐步减少（相对量）时，水汽的相对减少要快得多。它体现着水汽更集中在低层。

表1中国的一些气象站的水汽相对含量随高度（以空气相对压力表示）的减少情况

于是我们问比空气轻的水汽为什么反而往下沉，而不是往上浮？

遗憾气象学不提这个与物理学相悖的气象现象的物理原因。而这也是我们提出空中水汽悖论的重要角度。