Кіріспе
Атмосфералық термодинамика - Жер атмосферасында орын алатын және ауа райы немесе климат ретінде көрініс беретін жылу-жұмыс түрлендіруін (және олардың керісінше) зерттейтін ғылым. Атмосфералық термодинамика классикалық термодинамиканың заңдарын пайдаланып, ылғалды ауаның қасиеттері, бұлттардың пайда болуы, атмосфералық конвекция, шекаралық қабаттың метеорологиясы және атмосферадағы тік тұрақсыздық сияқты құбылыстарды сипаттайды және түсіндіреді. Атмосфералық термодинамикалық диаграммалар дауыл дамуын болжауда құрал ретінде қолданылады. Атмосфералық термодинамика бұлт микрофизикасы мен конвекциялық параметрлеудің негізін құрайды, ол сандық ауа райы модельдерінде қолданылады және көптеген климаттық ескертулерде, соның ішінде конвективті тепе-теңдік климаттық модельдерде қолданылады.
Шолу
Атмосфера тепе-теңдікке келмейтін жүйенің үлгісі болып табылады. Атмосфералық термодинамика - бұл аз тығыздықтағы (жылы) ауаның көтерілуіне, тығыздықтағы ауаның төмендеуіне, судың сұйықтан буға (булануға) және оның конденсациясына айналуына себеп болатын жүзу күштерінің әсерін сипаттайды. Бұл динамика қысым градиентінің күшімен өзгертіледі, ал қозғалыс Кориолис күшімен өзгертіледі. Пайдаланылатын құралдарға энергияны сақтау заңы, идеалдық газ заңы, нақты жылу сыйымдылығы, изоэнтропиялық процестерді (оларда энтропия тұрақты) және ылғалды адиабатикалық процестерді (оларда энергия жылу түрінде берілмейді) қабылдау жатады. Тропосфералық газдардың көпшілігі идеалдық газдар мен су буы ретінде қарастырылады, оның фазасын будан сұйыққа, қаттыға және кері қарай ауыстыру қабілеті ауаның ең маңызды із компоненттерінің бірі болып саналады. Жоғары деңгейдегі тақырыптар: судың фазалық ауысуы, біртекті және біртекті ядролануы, еріген заттардың бұлт конденсациясына әсері, мұз кристалдары мен бұлт тамшыларының пайда болуында суперсатурацияның рөлі. Ылғалды ауа мен бұлт теориясын қарастыру әдетте әртүрлі температураларды, мысалы, баламалы потенциалдық температура, ылғалды лампа және виртуалды температураларды қамтиды. Байланысты салалар - энергия, импульс және массаның ауысуы, бұлттардағы ауа бөлшектерінің арасындағы турбуленттік өзара әрекеттесу, конвекция, тропикалық циклонның динамикасы және атмосфераның кең ауқымды динамикасы. Атмосфералық термодинамиканың негізгі рөлі ауа қозғалысының бастапқы теңдеулеріне енгізілген ауа бөліктеріне әсер ететін адиабатикалық және диабатикалық күштер ретінде немесе желілік шешім ретінде немесе субжелілік параметрлеу ретінде көрсетіледі. Бұл теңдеулер ауа райы мен климатты сандық түрде болжаудың негізін құрайды.
Тарих
XIX ғасырдың басында Сади Карно, Рудольф Клаузиус және Эмиль Клаперон сияқты термодинамикашылар атмосфералық бу қозғалтқыштарының жану және қысым циклдерімен байланысты сұйықтық денелер мен булардың динамикасы бойынша математикалық модельдер жасады; мысалдардың бірі Клаузиус-Клаперон теңдеуі. 1873 жылы термодинамик Уиллард Гиббс "Сұйықтықтардың термодинамикасындағы графикалық әдістерді" жариялады. Мұндай негіздер атмосфералық термодинамиканың теориялық модельдерін әзірлеуге қолданыла бастады, бұл ең жақсы саналардың назарын аударды. Атмосфералық термодинамикаға қатысты мақалалар 1860 жылдары пайда болды, олар құрғақ және ылғалды адиабатикалық процестер сияқты тақырыптарды қарастырды. 1884 жылы Генрих Герц атмосфералық термодинамикалық диаграмманы (эмаграмма) жасаған. Псевдоадиабатикалық процесті фон Безольд өрбіген, кеңейген, салқындаған және ақырында су буын тұншықтыратын ауаны сипаттап шығарды; 1888 жылы ол "Атмосфераның термодинамикасы туралы" атты көлемді еңбек жариялады. 1911 жылы Альфред Вейгенер "Атмосфераның термодинамикасы" атты кітап шығарды. А. Барт. Осыдан бастап атмосфералық термодинамиканың ғылым саласы ретінде дамуы басталды. "Атмосфералық термодинамика" термині Фрэнк В. Веридің 1919 жылғы жарияланымына: "Атмосфералық термодинамика тұрғысынан жердің сәулелі қасиеттері" (Уэствуд астрофизикалық обсерваториясының кездейсоқ ғылыми мақалалары). 1970 жылдардың аяғында бұл тақырыпқа арналған түрлі оқулықтар пайда бола бастады. Бүгінде атмосфералық термодинамика ауа райын болжаудың ажырамас бөлігі болып табылады.
Хэдли айналымы
Хэдли айналымын жылу қозғалтқышы ретінде қарастыруға болады. Хэдли айналымы экваторлық аймақта жылы және ылғалды ауаның көтерілуімен және субтропиктерде суық ауаның төмендеуімен сәйкестендіріледі, бұл жылумен басқарылатын тікелей айналымға сәйкес келеді, нәтижесінде кинетикалық энергияның таза өндірісі. Жылу қозғалтқышы ретінде қарастырылатын Хэдли жүйесінің термодинамикалық тиімділігі 1979-2010 жылдар аралығында салыстырмалы түрде тұрақты болды, орташа есеппен 2,6%. Осы уақыт аралығында Хэдли режимімен өндірілетін қуат жылына орташа есеппен 0,54 ТВт-қа өсті; бұл тропикалық теңіз бетіндегі температураның байқалатын үрдісіне сәйкес жүйеге энергия енгізудің өсуін көрсетеді.
Карно циклы
Ураганның термодинамикалық мінез-құлқын шамамен 300 К (27 °C) температурадағы теңіздің жылу резервуары мен шамамен 200 К (-72 °C) температурадағы тропопаузаның жылу бұрғысы арасында жұмыс істейтін жылу қозғалтқышы ретінде модельдеуге болады және бұл процесте жылу энергиясын желдің механикалық энергиясына айналдырады. Теңіздің бетінен жақын жерде жүретін ауа бөліктері жылу мен су буын алады, жылыған ауа көтеріледі, кеңейеді және суытылады, бұл конденсация мен жауын-шашынды тудырады. Көтерілген ауа мен конденсация, Кориолис күшімен қозғалатын циркуляциялық желдерді тудырады, олар толқындарды көтереді және циклонды қуаттайтын жылы ылғалды ауаның мөлшерін арттырады. Жоғары тропосферадағы температураның төмендеуі немесе атмосфераның жоғарылау температурасы жер бетіне жақын шамада дауылдар кезінде байқалатын желдің барынша күшін арттырады. Ураган динамикасына қолданылғанда, ол Карно жылу қозғалтқышының циклін анықтайды және максималды ураган қарқынын болжайды.
Су буы және жаһандық климаттың өзгеруі
Клаузиус-Клаперон қатынасы атмосфераның су ұстайтын сыйымдылығының температураның Цельсий деңгейінде өсуі үшін шамамен 8% -ға өсетінін көрсетеді. (Бұл қысым немесе тығыздық сияқты басқа параметрлерге тікелей байланысты емес.) Бұл су ұстайтын сыйымдылық немесе "теңдік бу қысымы" Август Рош Магнус формуласын (теңдік немесе қанығу бу қысымы hPa, және температура Цельсий градустарында) пайдалана отырып шамамен анықталуы мүмкін. Бұл атмосфералық температураның жоғарылағанда (мысалы, парниктік газдар салдарынан) абсолютті ылғалдылықтың да экспоненциалды түрде артуы керектігін көрсетеді (қалыпты салыстырмалы ылғалдылықты ала отырып). Алайда, бұл таза термодинамикалық аргумент айтарлықтай пікірталасқа жатады, өйткені конвекциялық процестер құлдыраудың ұлғаюына байланысты кең ауқымды кептіруді тудыруы мүмкін, жауын-шашынның тиімділігіне конвекцияның қарқындылығы әсер етуі мүмкін және бұлт түзілуі салыстырмалы ылғалдылыққа байланысты.
(where is the equilibrium or saturation vapor pressure in hPa, and is temperature in degrees Celsius). This shows that when atmospheric temperature increases (e. g., due to greenhouse gases) the absolute humidity should also increase exponentially (assuming a constant relative humidity). However, this purely thermodynamic argument is subject of considerable debate because convective processes might cause extensive drying due to increased areas of subsidence, efficiency of precipitation could be influenced by the intensity of convection, and because cloud formation is related to relative humidity.
Арнайы тақырыптар
Лоренц, Е. Н., 1955, Қолжетімді әлеуетті энергия және жалпы айналымның сақталуы, Tellus, 7, 157167. Эммануэль, К., 1986, І бөлім. Тропикалық циклонның ауа-теңіз өзара әрекеттесу теориясы, Дж. Атмос. Ғылым. 43, 585, (жетілген дауылдың энергия циклі мұнда мұхиттан алынған жылу энергиясын механикалық энергияға айналдыратын Карно қозғалтқышы ретінде идеалдандырылған).