論濕度測量技術(shù)的理論錯誤，轉(zhuǎn)帖自“科學(xué)網(wǎng)”

論大氣基本物理參數(shù)“相對濕度”測量技術(shù)的理論誤差

摘要：根據(jù)量子化學(xué)的最新研究結(jié)論，在地球宏觀大氣環(huán)境中水蒸氣并不存在單分子狀態(tài)，而是多種不同水蒸氣分子簇成份的混合物。在這樣的條件下，本文通過對近似氣體的分餾概念，討論了露點法濕度測量技術(shù)是否能測量出大氣的正確含水量，以及在這樣的條件下的露點法濕度測量的理論測定誤差。

1. 引 言

“濕度”是影響地球大氣層氣候狀態(tài)至關(guān)重要的一個基本參數(shù)。然而，“濕度”的測量卻是大氣測量技術(shù)中的一個難題，由于直接測定大氣中的水分含量是一件十分不容易的工作。所以近100年來，關(guān)于大氣的“濕度”都采用間接的測定露點溫度的辦法。首先先測定“露點溫度”然后再推算出“相對濕度”然后再換算到“絕對濕度”的間接的、過度的測量手段。100多年來露點法已經(jīng)成為濕度測定的經(jīng)典和標(biāo)準(zhǔn)，在科研和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了迅速發(fā)展的廣泛應(yīng)用。但是，露點法測定相對濕度還是面臨著許多難堪的問題。除了精度低（理論最高精度不能超過±1%），測定讀數(shù)不可靠之外。測定的不確定度是露點法的一個致命弱點。

濕度的測定和控制除了在常溫常濕環(huán)境中的應(yīng)用外，在一些現(xiàn)代重要的工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)環(huán)境中，在航天、國防等重要部門，需要超高濕度和超低濕度的控制。而濕度測量的不確定度會直接導(dǎo)致劣次產(chǎn)品比例的上升。所謂的不確定度如從通俗的角度來理解，也可以稱為自檢能力。

2.相對濕度測量設(shè)備所面臨的自檢和自我校準(zhǔn)的困境

無論是哪一種計量工具，長度單位的測量儀器也好、重量單位的測量儀器也好、測量時間的鐘表也好。都要能達到自檢的要求。自檢似乎是作為度量衡器具最起碼的要求。但是已知各種“相對濕度”的測量儀表，不管是哪一種卻沒有一種可以達到自檢的要求。

所謂精度自檢，就是對于任意的一種計量技術(shù)，用這種技術(shù)自己通過一定的方式來檢查這種計量技術(shù)自身精度的做法。

例如長度計量，我們使用的是尺。如果有二把是米尺，六把市尺。那么首先這六把市尺必須是同樣長短的。二把米尺也必須是同樣長短的。其次任意的三把市尺加在一起應(yīng)該等于任意一把米尺的長度。這就是長度計量最低要求的自檢方式。

例如天平的砝碼，相同量值的砝碼必須重量相等，一個10克的砝碼，必須和一個5克、兩個2克、一個1克的砝碼加在一起的重量相等。……

那么，適合濕度儀的自檢方式是什么樣的呢？

現(xiàn)代物理學(xué)告訴我們，存在于大氣中的水蒸氣在處于不飽和狀態(tài)的時候，當(dāng)其他大氣參數(shù)發(fā)生變動的時候，濕度的量值將發(fā)生符合分壓定理，也符合氣態(tài)方程的變化。

所以，對于任意環(huán)境的未知濕度氣體，當(dāng)氣體樣本處在密封條件下的時候，樣本所包含的水蒸氣又不發(fā)生相變的條件下，不管該密封環(huán)境的溫度，體積或壓力有怎樣的變化，任何時刻這個樣本氣體的“相對濕度”的量值是可以按照氣態(tài)方程嚴(yán)格地計算得到的。因而，校驗一個濕度儀測量的數(shù)值準(zhǔn)還是不準(zhǔn)。只需要對同一個環(huán)境的被測氣體多取幾個樣本。分別調(diào)整這些樣本的溫度、壓力和體積為不同的狀態(tài)。然后，分別檢查濕度儀能否從每次不同調(diào)整狀態(tài)樣本氣體的測定中得到符合計算結(jié)果的“相對濕度”量值就可以完成自檢的要求了。

“濕度”的測定其實根本不需要制造什么標(biāo)準(zhǔn)濕度發(fā)生器。但是，作為濕度計量的標(biāo)準(zhǔn)儀器——“露點法濕度測量技術(shù)”卻偏偏不能做到自檢這一點，不能通過這樣的自檢過程。而且，凡是經(jīng)過了標(biāo)準(zhǔn)濕度發(fā)生器校準(zhǔn)的任何其他類型的濕度儀表都不能通過這樣的自檢過程。

在這些自檢條件下，現(xiàn)有濕度儀得到的測定值往往表現(xiàn)為和計算值相比沒有規(guī)則的，上下竄動的結(jié)果。這個現(xiàn)象使全世界的計量研究人員至今無措手足。迫不得已，濕度計量專家就制定了一整套的濕度儀校準(zhǔn)規(guī)范。最后規(guī)定，只能以經(jīng)過校準(zhǔn)的濕度儀在環(huán)境條件下的測定值作為確定值。

從計量技術(shù)的通義上來說，通不過自檢過程就說明這個方法不正確，通不過自檢所測定得到的數(shù)值就是錯誤的。所以對于無法達到自檢要求的“露點法測定技術(shù)”來說，這“露點法”的技術(shù)和理論就應(yīng)該是錯誤的。

3.現(xiàn)代水蒸氣的背景技術(shù)

進入21世紀(jì)，關(guān)于水蒸氣在量子化學(xué)范圍內(nèi)的一個重大研究成果就是：

水蒸氣分子在宏觀大氣環(huán)境里并不存在單分子結(jié)構(gòu)的實驗和研究。

有關(guān)實驗的報告和論文、著作，已經(jīng)很多。自然大氣環(huán)境中不存在單分子狀態(tài)的水蒸氣的宏觀事實。也已得到科學(xué)界的普遍認同。但是，奇怪的是，這樣大的實質(zhì)性發(fā)現(xiàn)，卻在所有和水蒸氣有關(guān)的物理、氣象、航天航空航海、干燥技術(shù)以及生物、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域沒有繼續(xù)引起一點點的波浪或水花。這難道不值得深思嗎？

關(guān)于水的各種異常的理化特性，一直是人們研究的重點。許多和水有關(guān)的不解之謎、世界難題，難道不能在這個量子化學(xué)的發(fā)現(xiàn)中找到一點啟示嗎？有關(guān)水分子簇的探討，早在1887年就有人已經(jīng)提出了。但是這些都是在固態(tài)和液態(tài)的水的環(huán)境里的討論，對于氣體，對于氣態(tài)的水蒸汽和水蒸氣分子簇有關(guān)的研究卻是21世紀(jì)的最新動態(tài)。

4. 氣態(tài)水分子簇概念

根據(jù)一些報告氣態(tài)水分子簇的事實主要表現(xiàn)在三個方面：

1.水蒸氣在大氣中以遠不止一種（通常超過5-6種）的、相對穩(wěn)定的絡(luò)合結(jié)構(gòu)（分子簇）形式存在，用化學(xué)分子式來表示就是：

n* H2O
+
H+
（其中的n為一些具有穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的絡(luò)合體內(nèi)的水分子個數(shù)）

這或許是一個不太容易理解的化學(xué)概念，那么讓我們用一句及其通俗的語言來描繪的話，就是：

原來：

我們都以為已經(jīng)是十分了解的水蒸氣，卻是一種我們并不了解的、由好多種不同的水蒸氣成分組成的混合氣體。

2. 各種水蒸氣分子簇成分，在溫度和壓力的變動中存在動態(tài)的平衡過程。

3. 溫度越低，n數(shù)小的分子簇成分越少。

未完

4.1對氣態(tài)水分子簇概念的實際理解

大氣狀態(tài)中的水蒸氣，不管是以那種n數(shù)的分子簇形式存在，不管總共有多少種不同n數(shù)的氣態(tài)水分子簇同時存在，只要它們是同時地存在于同一個環(huán)境中，那么，它們就應(yīng)該被看作是一些各不相同的氣體。

盡管他們裂解后的最終結(jié)果在化學(xué)角度都是H2O，但是我們?nèi)匀徊荒軌蛟谖锢砗蜌庀蟮确矫妫阉麄兓炖Φ乩斫鉃槭峭环NH2O氣體。而應(yīng)該用不同的氣體的混合物概念來理解、分析和推斷作為這些H2O混合氣體的總和的“水蒸氣”的各種理化特性。

因為，現(xiàn)代科學(xué)至今還沒有實際的分離出來過任何的一種水分子簇的單體，所以我們無法斷定所有的水分子簇成分是否具有相同的理化特性。但是如果我們不是將水蒸氣以混合物的角度來考慮，我們就有可能將某一種水蒸氣分子簇成份所具有的一種或兩種理化特性。錯誤地理解為是全部水蒸氣的特性。這樣的做法，在已經(jīng)證實水蒸氣分子簇的存在面前，于科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性是不符合的。

既然水蒸氣本身是混合氣體，那么我們所已經(jīng)了解的水的和水蒸氣的那些特征，到底是混合氣體中的哪一種成份的特征呢。是全部都屬于某一種水蒸氣分子簇成份的特征呢？或者有些是這種水蒸氣分子簇成份的特征，而有些是另一種水蒸氣分子簇成份的特征呢？

對于實際上只是某一種水蒸氣成份特征的特征，相對于其他的水蒸氣成份來說這些特性會是怎樣的呢？

在目前的條件下，由于前衛(wèi)科技對水蒸氣分子簇的研究進展比較慢。過于籠統(tǒng)的追究各種水分子簇加在一起總有多少特征，未免為時過早了。但是至少在目前我們已經(jīng)可以集中精力對于水蒸氣的——相變過程，即水蒸氣混合成份的相變凝結(jié)過程，進行深入的討論了。

設(shè)想，當(dāng)水蒸氣被了解到是由水蒸氣的混合物組成的時候，在發(fā)生相變的條件下會可能是各種不同的成份同時同步進行相變的嗎？還是應(yīng)該有先后，參差進行的？

4.2分餾的概念

按照分餾的常識：像氧氣和氮氣兩種不同的氣體混合到一起的時候，由于有不同的相變點。所以在氣體提煉廠里，可以利用不同的相變（沸點）點，把這兩種氣體份開來。另外在石油工業(yè)里的分餾塔中各種不同的石油氣成份也是根據(jù)不同的相變特點從石油氣中分離了出來。

從化學(xué)已有的理論上我們知道，各種不一樣的水蒸氣成份，它們必定是具有不同的相變溫度和相變曲線的。那么，例如當(dāng)天氣變化的時候，大氣環(huán)境中所有的各種水蒸氣分子簇的成份，他們會是同時在高空里變成云和雨的嗎？

回答顯然是不可能的！

類似的問題可以提出好多好多。但是，許多屬于水蒸氣分子簇成份氣體相變現(xiàn)象的物理機理。在目前科學(xué)界和理論氣象學(xué)對于水蒸氣混合物，還遠沒有足夠認識的條件下，大部份的疑問實際上得不到確切的結(jié)論。

但是關(guān)于物理學(xué)中“相對濕度和露點”的概念。卻是一個已經(jīng)可以明確了的必須再探討的內(nèi)容了。

前面已經(jīng)介紹了，水蒸氣是有好幾種不同分子簇成份氣體混合而成的。那么在測定相對濕度的冷鏡式露點儀的測試腔內(nèi)，會發(fā)生不同成分的同時析出嗎？根據(jù)所有的已有的知識，我們知道，這些不同的水蒸氣成份，必然地不可能同時析出。那么這樣的情況對露點法濕度的測定起到的是怎樣的作用呢？

5.分餾過程對露點法濕度測量的影響

5.1水蒸氣混合成份在露點儀內(nèi)部的分餾現(xiàn)象

毫無疑問地，在露點法濕度儀的內(nèi)部，當(dāng)鏡面溫度降低導(dǎo)致露珠在冷鏡面上析出的時候。不可能期望所有各種水蒸氣分子簇混合成分，都會同時達到露點，不可能期望在冷鏡面上同步地析出數(shù)量上成比例的不同水蒸氣分子簇成份的冷凝露珠來。因而在事實上，當(dāng)露點式濕度儀的冷鏡面上發(fā)生結(jié)露的時候，必然是只有一種，在當(dāng)時環(huán)境下最容易達到露點的水蒸氣分子簇成份率先發(fā)生了結(jié)露，而其他的那些分子簇成份則一點反應(yīng)都沒有，依然保持原來的分布狀態(tài)。并不會參與在露點法濕度儀內(nèi)部產(chǎn)生結(jié)露的過程。

這就是我們關(guān)注的，在露點儀內(nèi)部所發(fā)生的“分餾”現(xiàn)象的實際過程。

這就是說：作為在目前全世界濕度測定中最基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)儀器設(shè)備：“冷鏡式露點濕度儀”其實只能測量大氣環(huán)境中所有水蒸氣中極小一部分，而沒有可能測量到所有水蒸氣成份的全部。

因而，“冷鏡式露點濕度儀”測定得到的相對濕度值，必然是大大偏低的。

5.2分餾過程對露點法濕度測量的圖解分析

下面是一個在常溫常壓條件下，關(guān)于冷鏡式露點濕度儀的測量誤差的分析示意圖。

常溫常壓常濕條件是露點濕度儀最基本的使用環(huán)境。至于超低濕度<1%RH和超高濕度>99%RH，超低溫度-100C-0C和超高溫度>150C環(huán)境里的濕度測量和理論誤差，將在以后另外的專題論文里繼續(xù)討論。



未完

圖中我們假設(shè)，大氣環(huán)境中的水蒸氣只是由兩種成份組成。它們分別是P 分1、和P分 2，兩條灰色線所代表的水蒸氣分子簇成份，這樣我們通常所測量得到的水的氣液兩相線（圖中的黑色粗線）就是這樣的兩條（n條）分子簇成份的兩相線的疊加線。

除非兩條分子簇成份的兩相線有高度的重合或者是平行的，當(dāng)冷鏡面的溫度逐漸降低的時候，在靠近鏡面極薄的一層空氣中，必然地只可能有一種分子簇成份會發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象。如在上圖中所示：那條淺灰色線所代表的水蒸氣分子簇成份P分2在相同的降溫環(huán)境中首先發(fā)生相變了。

圖中可見：由P分2所發(fā)生的相變實際上代表的壓力差是P分2，其數(shù)值要比黑線所代表的壓力差P總小得多。

按照相對濕度的物理定義，

RH=e/E *100%

其中的e在圖中就是B點溫度時的飽和氣壓值PB，E就是圖中A點溫度時的飽和氣壓值PA的比值。也就是：

RH= PB/PA *100%

即

RH= (PA-P總)/PA*100%



但是從圖中我們看到：P總>> P分2的。

如果我們用“干度”來代表P總，那么，在露點法的測量過程中，錯誤地用P總來替代了實際導(dǎo)致結(jié)露發(fā)生的P分2，其結(jié)果就是“干度”被擴大了好幾倍。

用數(shù)值來舉例的話，假設(shè)，當(dāng)露點法測定得到的相對濕度值是70%時，我們理解為當(dāng)時的干度是30%，由于實際的發(fā)生的結(jié)露的壓差是P分2，它僅占P總的四分子一左右，那么這時實際上的干度就只有7.5%了，再折算為相對濕度，就是92.5%。這個92.5%的相對濕度值，就是在這個例子里被露點法誤測為70%相對濕度的正確濕度值。

在實際大氣環(huán)境中，水蒸氣的分子簇成份遠不止兩種，分子簇成分的動態(tài)分布還和氣壓，地理位置，海拔高度等環(huán)境因素有十分復(fù)雜的變化聯(lián)系。所以并不存在一種通過“干度”來折算正確“相對濕度”的途徑。

需要指出的是，實際大氣中水蒸氣的“相對濕度值”并不因為測量手段的改變而改變。需要改變的只是人們對于從“露點法”錯誤測量數(shù)值，所延伸出來的對于水的一些錯誤認識而已。

6. 結(jié)論

從上面的分析指明了，露點法濕度測定是一種包含“理論性設(shè)計錯誤”的測定方法。

對于從露點法這樣的一個低估了濕度或擴大了干度的濕度測定方法，其測定誤差的根源是因為大氣中的水蒸氣是由許多不同n數(shù)的分子簇成份造成的，100多年前的露點法濕度儀的設(shè)計者，100多年前的科學(xué)并沒有了解到水蒸氣本身是混合氣體的實質(zhì)，因而是露點法濕度儀的測定誤差是屬于一種設(shè)計理念上的錯誤，所以這種錯誤是無法避免，也不可能用任何方法來校準(zhǔn)的。

因而，作為濕度測定基礎(chǔ)和標(biāo)準(zhǔn)儀器設(shè)備——“冷鏡式露點濕度儀”。其實只是 錯誤地測量了大氣環(huán)境中所有水蒸氣中的極小一部分，而沒有測量到所有水蒸氣的全部成份。

在認清了這樣的一個客觀錯誤事實之后，從現(xiàn)在開始，不管是在氣象還是航天等什么行業(yè)的范圍里，如果繼續(xù)地使用冷鏡式露點儀作為相對濕度的標(biāo)準(zhǔn)測定手段或者以由冷鏡式露點儀校準(zhǔn)的各種機械或電子濕度儀器來測量濕度，就是一種明知故犯和固步自封了。



7.展望

計量技術(shù)一直沒有滿足于露點法濕度測量的不確定性，所以各種新的類型的濕度測量手段，也一直有推出，諸如，利用紅外線或微波來遠距離測量相對濕度的儀器。正是當(dāng)前濕度測量技術(shù)的熱門項目。但是，這些新的測量手段同樣面臨一個，是測量全部的氣態(tài)水分子簇家屬的含量還是測量這些氣體水分子簇成分中的一種。是測量和露點法所測到的哪一種的分子簇成分，還是測到了另一種露點法所沒有測到的成分？

甚至于氣象衛(wèi)星的云圖，紅外水汽圖，目前都是按照“露點法濕度測定”的讀數(shù)來校準(zhǔn)。因而，也就不知道倒底代表的是水蒸氣家屬中的哪一種？

當(dāng)科學(xué)還沒有充分地認識大氣中水蒸氣分子簇的實際狀況的時候，露點法的測定結(jié)果確實給科學(xué)研究特別是氣象學(xué)的研究帶來了不少疑難，事實上，在許多理論上本來應(yīng)該是接近100%濕度的環(huán)境，在露點法面前就變成是遠不飽和的了。這種嚴(yán)重的測量錯誤大幅度地誤導(dǎo)了理論物理和理論氣象學(xué)對于云微物理過程的研究。造成了一系列嚴(yán)重的錯誤判斷。直接導(dǎo)致了許許多多在氣象學(xué)里的錯誤理論和概念。

需要認真對待的是：

露點法100多年來，已經(jīng)是根深蒂固了，錯誤的測量結(jié)果在事實上已經(jīng)被科學(xué)界完全地接受了，并且由此推出了一大批的誤導(dǎo)性的后繼理論。

例如關(guān)于水汽輸送的理論，水蒸氣過飽和的理論等等，就是這樣的一些以被低估的濕度測量值為依據(jù)的典型后繼錯誤理論。

新的能夠通過自檢要求的濕度測量儀器已經(jīng)應(yīng)運而生。

然而，科學(xué)面臨的不僅是全面更換所有的濕度測定儀器的問題。那些在各種科研領(lǐng)域，被露點法錯誤測定值誤導(dǎo)的一系列的理論和研究必將迎接一個海嘯般的沖擊而重生。

能看到不同的觀點，不同的想法，對大家來說是一種機會

回復(fù) 4# 霽雪


    我覺得：用例如“當(dāng)天氣變化的時候，大氣環(huán)境中所有的各種水蒸氣分子簇的成份，他們會是同時在高空里變成云和雨的嗎？”作為該問題的論據(jù)有些牽強哦！最起碼廣寬的天空不可能是溫度和濕度均勻度如我們精密露點儀那么好的恒溫恒濕箱吧？量友們說是嗎？

學(xué)習(xí)當(dāng)中，對濕度一直有一個比較模糊的概念。謝謝了！！

回復(fù) 6# 劉彥剛

劉先生提出的疑問，沒有正面回應(yīng)我所提出的，在化學(xué)領(lǐng)域里的研究成果——水蒸氣是由多種分子團簇結(jié)構(gòu)成分組成的混合氣體。這個已經(jīng)是世界上公認的事實。

說起來露點儀是一種精密儀器。只要有一點點的和水的露點較接近的有機氣體混在空氣中的時候。露點儀就沒法使用。

經(jīng)過精確控制的恒濕環(huán)境，仍然不能擺脫是水蒸氣混合氣體的大規(guī)律。所以從濕度發(fā)生器提供出來的標(biāo)準(zhǔn)濕度的氣體。實際上無法確定有多少比例n1分子團簇成分，有多少n2分子團簇成分……仍然不能確定各種不同的分子團簇成分憑什么有可能會同步地成比例地在冷鏡上凝結(jié)為露。


回避問題和轉(zhuǎn)移話題不是解決問題的辦法。除非你能證明水蒸氣不是混合氣體。

否則就不能排除露點法設(shè)計原理的理論性錯誤。

理論性的錯誤是不能用技術(shù)手段來彌補的。希望大家認真思考。

我不能確定現(xiàn)在露點法設(shè)計原理有沒有問題，但是我覺得用精密露點儀做普通溫濕度表的檢定校準(zhǔn)性能上是足夠的。
還是那句話，能看到新的理論出來是一件很讓人高興的事。

實際上，早一些時候我已經(jīng)在本網(wǎng)提出了一個揭示露點儀實際使用中的巨大誤差的問題。http://www.bkd208.com/thread-164329-1-1.html
一直沒有人看也沒有回復(fù)。

不過現(xiàn)在是冬天，冬天也不要緊，我們可以采用我上面一開始就提到的自檢的辦法來檢驗濕度儀。看看誤差是不是太大了一點。

清早先測量室外環(huán)境的溫度和濕度，然后用大塑料袋裝幾大袋早上室外的空氣。裝的時候在里面各放一個校準(zhǔn)過的電子溫濕度儀。然后，分別記下每隔一小時的溫度和濕度值。
隨著塑料袋里的溫度的升高，相對濕度必然有規(guī)律的下降。所以現(xiàn)在可以檢查一下了。看看每個濕度儀的量值是否有一個可以和計算值保持在10%的誤差范圍以內(nèi)？
濕度儀如果有上下偏差不妨取平均值。

即使在過去，沒有化學(xué)的研究成果的支持，露點法測不準(zhǔn)的問題一直是存在的。以前不好解釋，現(xiàn)在有解釋的理論依據(jù)了。為什么抱住錯誤不放？

回復(fù) 9# liuyuji

用誤差大于30%的標(biāo)準(zhǔn)濕度測定值，去校驗只有10%左右波動的其他類型的儀表，精度自然是足夠了。實際的問題是，即使一根樹伢子用它來測定濕度也比露點法的準(zhǔn)。

回復(fù) 9# liuyuji

露點儀本身的設(shè)計理論誤差是可以通過實驗來證實的。所以你如果看不請我的論述，可以做實驗。
值得你高興的不止是新理論，能從一個中國人這里看到這樣新理論的出現(xiàn)，你應(yīng)該更高興。

我設(shè)計的新的濕度儀正在申請專利中已經(jīng)有一年了，應(yīng)該快通過了，希望得到大家的支持，首先是理論，然后是協(xié)作制造，然后是協(xié)作銷售。全世界的！

謝謝回復(fù)