地球-大气-海洋系统熵收支的估算.pdf

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1、$(3第!"卷第#期$%%"年#月!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!地球!大气!海洋系统熵收支的估算!甘子钧严幼芳齐义泉中国科学院南海海洋研究所!"#实验室，广州$%&’&%摘要地球)大气)海洋系统的能量收支遵循热力学第一定律（能量守恒定律），是守恒的；而系统的熵收支却遵循热力学第二定律（熵增加原理），是不守恒的>文中给出并讨论了地球)大气)海洋系统的熵平衡方程并根据新近的全球多年平均的能量收支和海)气界面通量气候资料，重新对地球、大气和海洋系统界面上的年平均熵收支作出估计，以期为进一步

2、研究系统内部不可逆过程导致的熵产生及其局域熵的时)空变化提供一个定量依据>关键词地球!大气!海洋系统能量熵收支地球)大气)海洋系统是由大气、海洋和陆地组消耗过程等，均受热力学第二定律（熵增加原理）的成的相互作用和相互依存的整体>外界能量和（或）制约>物质的不断输送以及系统内部各组分之间的相互作以往有一些关于地球)大气)海洋系统熵收支和用，使系统呈现出众多在宏观时)空尺度上有序的现熵变化的研究工作［%@,］，但其中关注的主要是大气象和过程>从热力学的观点来看，这是一个远离平系统，对海洋系统或海洋)大气（联合）系统几乎没有衡态的开放系统，其工作介质主要是大气和海水这涉及>本文拟着重对

3、包括海洋系统在内的地球)大两种处于非平衡热力学)动力学状态的地球物理流气)海洋系统的熵收支作出新的估计，以期为系统内体，而控制这个系统的基本过程则是入射太阳短波部宏观的热力)动力学时)空有序结构的形成和演变辐射的加热和射出地球长波辐射的冷却；这种加热提供较确切的“量化”依据>和冷却及其时空差异所导致的“负熵流”乃是全球大气和海洋系统中各种不可逆过程赖以持续发展的"开放系统的熵变和负熵流资源>正因如此，描述地球)大气)海洋系统必须同自然界中各种宏观系统，实际上无一不是与周时使用热力学和动力学两类状态变量和相应的基本围环境进行能量和物质交换而相互依存、相互作用方程>即质量守恒、动量守

4、恒、能量守恒和能量可的开放系统>对于一个与环境既交换能量又（或）交利用性原理的数学表述；其中，与前面’种原理对换物质的开放系统（或封闭系统），在A!时间内，应的是连续方程、运动方程、能量方程（亦即热力［3］系统的熵变可写成学第一定律），而与第四种原理相对应的是热力学第二定律，它涉及系统状态变量———熵的变化>热A!"A!B#A!6，（%）力学第二定律不是物理量守恒的定律，而是独立于上述三类守恒原理之外的一种对过程加以限制的不其中，A!B表示系统与环境交换能量和（或）物质所等式>自然界的一切不可逆过程，如扩散、热辐射引起的熵变，称为熵流或熵通量；A!6是由于系统和热传导、化学反应以

5、及由耗散性效应引起的能量内部不可逆过程所引起的熵变，称为熵产生$按照(&&’)&*)&+收稿，(&&’)%%)%,收修改稿"国家自然科学基金（批准号：-&(,*&&-）、中国科学院创新工程（./01()(&(）和国家重点基础研究发展规划（2%+++&-’3&*）资助项目")4567：889+&%:;<;6=>5<>

6、地球系统接收“低熵”的太阳短波辐射，同时放（$）射“高熵”的长波辐射所导致的负熵流相关联1如果地球是一个孤立系统，将有熵不可逆地增加，结对于孤立系统，由于没有熵流，!，故系统的!%&#果将导致一个死一般的、均匀无序的行星地球［2，3］1总熵自发增加，达到最大值时，系统处于热力学平衡态#由此可见，利用表达式（$），可使可逆过程与!#$系统的辐射熵收支方程不可逆过程之间的本质差别变得更为清楚：只有不按平衡辐射理论［..］，对于任一处于辐射平衡的可逆过程对熵的产生有贡献，而可逆过程则是等熵系统，其辐射能量密度（/4）和相应的熵密度（!4）可过程#表示为对于开放系统，当!时，系统的总!%

7、’!!""#熵变化有可能小于#：绝对值大于!的负熵流/$)/）（%.2#*0*），（2）!"4!（!（!!）可以使系统的熵减少，形成有序化，即在开（/!$%/2）（)%#0）*，（5）%!4!放的非平衡耗散状态下，在存在有强度足够大的负熵流的情况下，系统内部有可能出现时$空有序结式中，)表示系统作为黑体的辐射温度，#为构［(，)］6789:;常数，0为光速#联立（2），（5）式，可得两者#当一个开放系统处于定态（即!）时，成的关系为!%!&&#立有//4，（38）!!%!&!’!