Войти
Термодинамика атмосферы - это исследование превращений тепла -в- работа (и их обратная сторона), которые происходят в атмосфере Земли и проявляются в виде погоды или климата. Атмосферная термодинамика использует законы классической термодинамики для описания и объяснения таких явлений, как свойства влажного воздуха, образование облаков, атмосферная конвекция, метеорология пограничного слоя и вертикальные нестабильности в атмосфере. Атмосферные термодинамические диаграммы используются как инструменты при прогнозировании развития штормов. Атмосферная термодинамика формирует основу для микрофизики облаков и параметризации конвекции , используемых в численных моделях погоды, и используется во многих климатических соображениях, включая модели конвективно-равновесного климата.
Атмосфера является примером неравновесной системы. Атмосферная термодинамика описывает действие выталкивающих сил, которые вызывают подъем менее плотного (более теплого) воздуха, опускание более плотного воздуха и преобразование воды из жидкости в пар (испарение) и ее конденсацию. Эта динамика изменяется силой градиента давления, и это движение изменяется силой Кориолиса. Используемые инструменты включают закон сохранения энергии, закон идеального газа, удельную теплоемкость, допущение изоэнтропических процессов (в котором энтропия является константой), и влажные адиабатические процессы (во время которых энергия не передается в виде тепла). Большинство тропосферных газов рассматриваются как идеальные газы, а водяной пар, обладающий способностью переходить из пара в жидкую, твердую и обратно фазу, считается одним из наиболее важных микрокомпонентов воздуха.
Дополнительные темы: фазовые переходы воды, гомогенное и негомогенное зародышеобразование, влияние растворенных веществ на конденсацию облаков, роль перенасыщения в образовании кристаллов льда и капель облаков. При рассмотрении теорий влажного воздуха и облаков обычно учитываются различные температуры, такие как эквивалентная потенциальная температура, температура по влажному термометру и виртуальная температура. Связанные области - это энергия, импульс и массоперенос, турбулентное взаимодействие между частицами воздуха в облаках, конвекция, динамика тропических циклонов и крупномасштабная динамика атмосферы.
Основная роль атмосферной термодинамики выражается в терминах адиабатических и диабатических сил, действующих на воздушные частицы, включенные в примитивные уравнения движения воздуха либо в виде решетки, либо в подсетке. параметризации. Эти уравнения составляют основу численных прогнозов погоды и климата.
В начале XIX века термодинамики, такие как Сади Карно, Рудольф Клаузиус и Эмиль Клапейрон, разработали математические методы. модели динамики жидких тел и паров, связанные с циклами сгорания и давления в атмосферных паровых машинах; Одним из примеров является уравнение Клаузиуса – Клапейрона. В 1873 г. термодинамик Уиллард Гиббс опубликовал «Графические методы термодинамики жидкостей».
Термодинамическая диаграмма, разработанная в 19 веке, до сих пор используется для расчета таких величин, как доступная конвективная потенциальная энергия или стабильность воздуха. Эти виды основ, естественно, начали применяться для разработки теоретических моделей атмосферной термодинамики, которые использовали внимание лучших умов. В 1860-х годах появились статьи по термодинамике атмосферы, в которых рассматривались такие темы, как сухие и влажные адиабатические процессы. В 1884 г. Генрих Герц разработал первую термодинамическую диаграмму атмосферы (диаграмма ). Псевдоадиабатический процесс был изобретен фон Бецольдом, описывающим воздух, когда он поднимается, расширяется, охлаждается и, в конечном итоге, выделяет свой водяной пар; в 1888 г. он опубликовал объемную работу под названием «О термодинамике атмосферы».
В 1911 г. фон Альфред Вегенер опубликовал книгу «Термодинамика атмосферы», Лейпциг, Дж. А. Барт. Отсюда начало укореняться развитие термодинамики атмосферы как отрасли науки. Сам термин «атмосферная термодинамика» восходит к публикации Фрэнка У. Вериса 1919 года: «Лучистые свойства Земли с точки зрения атмосферной термодинамики» (периодические научные статьи Астрофизической обсерватории Вествуд). К концу 1970-х годов начали появляться различные учебники по этому предмету. Сегодня термодинамика атмосферы является неотъемлемой частью прогнозов погоды.
Циркуляция Хэдли может рассматриваться как тепловая машина. Циркуляция Хэдли отождествляется с подъемом теплого и влажного воздуха в экваториальной области с опусканием более холодного воздуха в субтропиках, что соответствует термически управляемой прямой циркуляции с последующим чистым производством кинетической энергии. Термодинамический КПД системы Хэдли, рассматриваемой как тепловой двигатель, был относительно постоянным в период с 1979 по 2010 год, составляя в среднем 2,6%. За тот же интервал мощность, генерируемая режимом Хэдли, росла в среднем примерно на 0,54 ТВт в год; это отражает увеличение поступления энергии в систему в соответствии с наблюдаемым трендом температуры поверхности моря в тропиках.
Воздух увлажняется по мере продвижения к конвективной системе. Восходящее движение в глубоком конвективном ядре вызывает расширение, охлаждение и конденсацию воздуха. Отток на верхнем уровне, видимый как наковальня, в конечном итоге опускается, сохраняя массу (Рысунек - Роберт Симмон). Термодинамическое поведение урагана можно смоделировать как тепловую машину, которая работает между тепловыми резервуарами моря при температуре около 300K (27 ° C) и теплоотвод тропопаузы при температуре около 200K (-72 ° C) и в процессе преобразует тепловую энергию в механическую энергию ветра. Частицы воздуха, движущиеся близко к поверхности моря, поглощают тепло и водяной пар, нагретый воздух поднимается, расширяется и охлаждается, вызывая конденсацию и осадки. Поднимающийся воздух и конденсация создают циркулирующие ветры, которые двигаются силой Кориолиса, которые поднимают волны и увеличивают количество теплого влажного воздуха, приводящего в движение циклон. Как снижение температуры в верхних слоях тропосферы, так и повышение температуры атмосферы вблизи поверхности увеличат максимальное количество ветров, наблюдаемых при ураганах. Применительно к динамике ураганов он определяет цикл теплового двигателя Карно и предсказывает максимальную интенсивность урагана.
Соотношение Клаузиуса – Клапейрона показывает, как водоудерживающая способность атмосферы увеличивается примерно на 8% при увеличении по Цельсию в температура. (Она не зависит напрямую от других параметров, таких как давление или плотность.) Эту водоудерживающую способность или «равновесное давление пара » можно приблизительно оценить с использованием формулы Августа-Роша-Магнуса
(где 
