文|創(chuàng)瞰巴黎 Annalisa Plaitano
編輯|Meister Xia
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克勞修斯-克拉佩龍方程在2021年的IPCC報告中出現(xiàn)了36次：要想了解其重要性，我們需要追溯歷史。
氣候變遷與海洋的發(fā)展史緊密相連：1824年，溫室效應(yīng)這一概念被首次提出。
埃米爾·克拉佩龍?zhí)岢隽藷崃W(xué)第二定律和理想氣體狀態(tài)方程（PV=nRT）。
來自普魯士的魯?shù)婪颉た藙谛匏箙⒖剂丝死妪埛匠?，并將其用于?氣平衡中。
據(jù)克勞修斯-克拉佩龍方程所示，氣溫每上升1°C，大氣濕度就會增加約7%。
2021年8月，政府間氣候變化專門委員會（IPCC）發(fā)表了其第六次評估報告的第一部分[1]，著重介紹了氣候變化背后的物理學(xué)原理。IPCC報告旨在評估近期的科學(xué)出版物，提取科學(xué)共識，以供政策制定者參考。這份報告多次提到了魯?shù)婪颉た藙谛匏梗?822-1888），而今年正好是他誕辰兩百周年。
氣候?qū)W十分復(fù)雜，要想了解它的起源和發(fā)展史，我們需要回顧過去幾個世紀。
起源：海洋
氣候變遷與海洋的發(fā)展史緊密相連，后者對氣候調(diào)節(jié)至關(guān)重要。海洋學(xué)曾名海洋地理學(xué)，是一門非常古老的學(xué)科，它源于捕魚、捕鯨，以及基于海洋的貿(mào)易和資源勘探。此前，人們對海洋的理解大多來源于奇聞逸事和地圖，有時還涉及一些神秘學(xué)和魔法。這一現(xiàn)象直到16世紀才發(fā)生改變。
“氣候?qū)W十分復(fù)雜，要想了解它的起源和發(fā)展史，需要追溯到幾個世紀前。”
伽利略（Galileo）和托里切利（Evangelista Torricelli）所做的相關(guān)研究極大促進了溫度計和氣壓計的發(fā)展。這兩項于16和17世紀出現(xiàn)在意大利的發(fā)明對了解大氣和海洋至關(guān)重要。
18世紀中葉前，由于無法確定海上經(jīng)度，人們對海洋的了解，尤其是對海流的測繪工作大大受阻。航海計時器發(fā)明后，本杰明·富蘭克林（Benjamin Franklin）等人推動了海流測繪工作的發(fā)展。
1855年，被譽為“海洋學(xué)之父”的美國人馬修·方丹·莫里（Matthew Fontaine Maury）出版了《海洋物理學(xué)》（Physical Geography of the Sea）；1872年，蘇格蘭人查爾斯·威維爾·湯姆森（Charles Wyville Thomson）開始了第一次挑戰(zhàn)者號遠征。這兩件事情標志了海洋學(xué)正式作為一門學(xué)科的出現(xiàn)。
發(fā)展：大氣
1774年，皇家醫(yī)學(xué)會和農(nóng)業(yè)協(xié)會（Royal Societies of Medicine and Agriculture）成員，法國氣候?qū)W家Abbé Louis Cotte出版了《氣象學(xué)論著》（Traité de météorologie[2]）一書。該書被視為現(xiàn)代氣候?qū)W的最早著作之一。
然而，直到19世紀初，研究人員才開始深入探索大氣及其氣體成分。1824年，正在研究熱流數(shù)學(xué)分析[3]的讓·巴普蒂斯·約瑟夫·傅里葉（Baron Jean Baptiste Joseph Fourier）首次在著作中提到溫室效應(yīng)這一概念。這位來自弗朗什·孔泰大區(qū)的物理學(xué)家兼數(shù)學(xué)家提出了一種假設(shè)，即大氣層起到了絕緣保溫的作用，如果沒有它，地球?qū)蔀橐粋€冰球。
當時，人們并沒有完全理解溫室效應(yīng)背后的大氣作用。1861年，當人們激烈討論冰期起源時，法拉第（Michael Faraday）在倫敦皇家學(xué)會（Royal Society）的繼任者——愛爾蘭物理學(xué)家兼冰川學(xué)家丁達爾（John Tyndall）發(fā)現(xiàn)，引起溫室效應(yīng)的主要氣體是水蒸氣，其次是二氧化碳[4]。這些氣體會吸收部分紅外輻射，其濃度的微小變化便會導(dǎo)致氣候變化。其實，美國發(fā)明家兼女權(quán)主義者芙特（Eunice Foote）在五年前也得出過類似結(jié)論。但她的研究并沒有得到廣泛傳播，自然而然也就被遺忘了[5]。
隨后，來自瑞典的諾貝爾化學(xué)獎得主斯萬特·阿倫尼烏斯（Svante Arrhenius）證明了碳循環(huán)和溫室效應(yīng)的聯(lián)系，即大氣中二氧化碳濃度的增加會導(dǎo)致溫度的大幅上升[6]。根據(jù)他的計算，如果大氣中的二氧化碳濃度增加一倍，平均溫度就會上升4℃至6℃，這與目前的估計相差無幾。令人遺憾的是，科學(xué)界直到20世紀50年代才接受二氧化碳對大氣的影響。除此之外，阿倫尼烏斯還提出，不斷增加的二氧化碳濃度應(yīng)該歸因于煤和其他化石燃料的工業(yè)使用。只不過，他認為這是一則好消息——畢竟，未來人類不會再受冰河世紀的困擾。
進階：IPCC
最后，讓我們回到IPCC第六次評估報告中提到了36次的克勞修斯-克拉佩龍方程。埃米爾·克拉佩龍（Emile Clapeyron，1799–1864）是一名巴黎工程師兼物理學(xué)家，他于1816至1818年間在巴黎綜合理工學(xué)院（école Polytechnique）就讀，隨后前往國立杜埃高等礦業(yè)學(xué)院（école des Mines）深造。他在職業(yè)生涯早期極大推動了橋梁工程方面的相關(guān)進展。出于對鐵路的濃厚興趣，他開始研究并監(jiān)督蒸汽機的生產(chǎn)，并重點關(guān)注如何提高機車效率[7]。
如今被視為熱力學(xué)創(chuàng)始人的薩迪·卡諾（Sadi Carnot）在當時卻鮮為人知?？ㄖZ去世后不久（年僅36歲），克拉佩龍意識到了卡諾工作的重要性，于是開始投身熱力學(xué)。他不僅大力推動了熱力學(xué)的發(fā)展，還降低了其復(fù)雜度?？死妪?zhí)岢隽藷崃W(xué)第二定律和理想氣體狀態(tài)方程（PV=nRT），并描述了單組分系統(tǒng)在相平衡時，氣壓隨溫度的變化率（克拉佩龍方程）。
“克勞修斯參考了克拉佩龍方程，并將其用于液-氣平衡中?！?/p>
幾年后，熱力學(xué)的另一位奠基人，普魯士的物理學(xué)家兼數(shù)學(xué)家魯?shù)婪颉た藙谛匏梗?822-1888）對熱力學(xué)第二定律進行了重新描述：“熱量總是自發(fā)地由高溫處向低溫處傳遞?！彼€提出了熵的概念。除了在蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（Zurich Polytechnic）以及柏林、維爾茨堡和波恩的大學(xué)從事教學(xué)活動外，克勞修斯還促成了不少19世紀物理學(xué)的重大發(fā)現(xiàn)，并參考了其同時代的卡諾（Carnot）、焦耳（Joule）、開爾文（Kelvin）和克拉佩龍的研究成果。正是克勞修斯參考了克拉佩龍方程，并將其用于液-氣平衡中[8]。
展望：克勞修斯-克拉佩龍方程
克勞修斯-克拉佩龍方程對于研究氣候變化至關(guān)重要。據(jù)克勞修斯-克拉佩龍方程所示，氣溫每上升1°C，大氣濕度就會增加約7%，即在全球范圍內(nèi)增加1%-3%左右的降水。簡而言之，該公式有助于我們理解云、雨、雪的形成，并預(yù)測極端天氣事件，如降水頻率和年度最大降水量的增加、風(fēng)速變化、洪澇等。此外，濕度上升相當于水蒸氣質(zhì)量增加，從而加劇溫室效應(yīng)，形成正反饋循環(huán)。
因此，在全球?qū)用妫藙谛匏?克拉佩龍方程是幫助我們預(yù)測未來的有效工具。而區(qū)域?qū)用鎰t將視地方條件而定，這一點與亞歷山大·馮·洪堡（Alexander von Humboldt，1769-1859）在研究拉美地區(qū)不同氣候條件時得到的結(jié)論不謀而合。
Annalisa Plaitano
參考資料：
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