Введение

Атмосферная термодинамика - это изучение преобразований тепла в работу (и их обратного), 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 вертикальная нестабильность в атмосфере. Атмосферные термодинамические диаграммы используются в качестве инструментов для прогнозирования развития штормов. Атмосферная термодинамика является основой для микрофизики облаков и конвекционных параметров, используемых в численных моделях погоды, и используется во многих климатических соображениях, включая модели климата конвективного равновесия.

Обзор

Атмосфера - пример неравновесной системы. Атмосферная термодинамика описывает действие плавучих сил, которые вызывают подъем менее плотного (более теплого) воздуха, спуск более плотного воздуха и превращение воды из жидкости в пар (испарение) и ее конденсацию. Эта динамика изменяется силой градиента давления, а движение изменяется силой Кориолиса. Используемые инструменты включают закон сохранения энергии, закон идеального газа, специфические тепловые мощности, предположение о изентропных процессах (в которых энтропия является постоянной) и влажных адиабатических процессах (в ходе которых энергия не передается в виде тепла). Большинство тропосферных газов рассматриваются как идеальные газы и водяной пар, с его способностью менять фазу от пара, к жидкому, к твердому и обратно считается одним из самых важных микроэлементов воздуха. Продвинутые темы - фазовые переходы воды, однородное и однородное нуклеация, влияние растворенных веществ на конденсацию облаков, роль сверхнасыщения на образование кристаллов льда и облачных капель. Рассмотрение теорий влажного воздуха и облаков обычно включает в себя различные температуры, такие как эквивалентная потенциальная температура, влажная лампочка и виртуальные температуры. Связанными областями являются энергия, импульс и перенос массы, турбулентное взаимодействие между частицами воздуха в облаках, конвекция, динамика тропических циклонов и динамика атмосферы в больших масштабах. Основная роль атмосферной термодинамики выражается в терминах адьябатических и диабетических сил, действующих на воздушные частицы, включенные в примитивные уравнения движения воздуха как в разрешенных сетчатых или подсетевых параметрах. Эти уравнения составляют основу для численных прогнозов погоды и климата.

История

В начале 19 века термодинамики, такие как Сади Карно, Рудольф Клаузиус и Эмиль Клаперон, разработали математические модели динамики жидкостных тел и паров, связанные с циклами сгорания и давления атмосферных паровых двигателей; одним из примеров является уравнение Клаузиуса Клаперона. В 1873 году термодинамик Уиллард Гиббс опубликовал "Графические методы в термодинамике жидкостей". Эти основы, естественно, стали применяться к разработке теоретических моделей атмосферной термодинамики, которые привлекли внимание лучших умов. В 1860-х годах появились статьи по атмосферной термодинамике, в которых рассматривались такие темы, как сухие и влажные адьябатические процессы. В 1884 году Генрих Герц разработал первую атмосферную термодинамическую диаграмму (эмаграмму). Псевдоадиабатический процесс был придуман фон Безолдом, описывающим воздух, когда он поднимается, расширяется, охлаждается и в конечном итоге осаждает свой водяной пар; в 1888 году он опубликовал объемную работу под названием "О термодинамике атмосферы". В 1911 году фон Альфред Вегенер опубликовал книгу "Термодинамика атмосферы", Лейпциг, Дж. А. Барт. Отсюда началось развитие атмосферной термодинамики как отрасли науки. Термин "атмосферная термодинамика" можно проследить до публикации Фрэнка В. Вери в 1919 году: "Облекачивающие свойства Земли с точки зрения атмосферной термодинамики" (Оказионные научные статьи Вествудской астрофизической обсерватории). К концу 1970-х годов начали появляться различные учебники по этому вопросу. Сегодня термодинамика атмосферы является неотъемлемой частью прогнозирования погоды.

Хэдли циркуляция

Циркуляция Хэдли может рассматриваться как тепловой двигатель. Циркуляция Хэдли идентифицируется с подъемом теплого и влажного воздуха в экваториальной области с спусканием более холодного воздуха в субтропиках, соответствующим тепловой прямой циркуляции, с последующим чистым производством кинетической энергии. Термодинамическая эффективность системы Хэдли, рассматриваемой как тепловой двигатель, была относительно постоянной в период с 1979 по 2010 год, в среднем 2,6%. За тот же период мощность, вырабатываемая режимом Хэдли, увеличилась в среднем на 0,54 ТВт в год; это отражает увеличение энергопотребления в системе, соответствующее наблюдаемой тенденции температур поверхности тропических морей.

Тропический циклон цикл Карно

Термодинамическое поведение урагана можно смоделировать как тепловой двигатель, который работает между тепловым резервуаром моря при температуре около 300 К (27 ° C) и тепловым раковиной тропопаузы при температуре около 200 К (-72 ° C) и в процессе преобразует тепловую энергию в механическую энергию ветров. Паркеты воздуха, движущиеся близко к морской поверхности, поглощают тепло и водяной пар, нагретый воздух поднимается и расширяется, а затем остывает, в результате чего возникает конденсация и осадки. Воздух, поднимающийся вверх, и конденсация создают циркуляционные ветры, которые движутся силой Кориолиса, которые поднимают волны и увеличивают количество теплого влажного воздуха, который питает циклон. Как снижение температуры в верхней тропосфере, так и повышение температуры атмосферы близко к поверхности увеличат максимальные ветры, наблюдаемые при ураганах. При применении к динамике ураганов он определяет цикл теплового двигателя Карно и прогнозирует максимальную интенсивность урагана.

Водяной пар и глобальное изменение климата

Отношение Клаузиус-Клэпейрон показывает, как емкость атмосферы для удержания воды увеличивается примерно на 8% при увеличении температуры Цельсия. (Это не напрямую зависит от других параметров, таких как давление или плотность.) Эта емкость удержания воды, или "равновесное давление паров", может быть приближена с использованием формулы Августа Роша Магнуса (где равновесное или насыщенное давление паров в hPa и температура в градусах Цельсия). Это показывает, что при повышении температуры атмосферы (например, из-за парниковых газов) абсолютная влажность также должна увеличиваться экспоненциально (при условии постоянной относительной влажности). Однако этот чисто термодинамический аргумент является предметом значительных дебатов, поскольку конвективные процессы могут вызывать обширную сушку из-за увеличения площадей осадков, эффективность осадков может быть подвержена влиянию интенсивности конвекции, а также потому, что образование облаков связано с относительной влажностью.

Специальные темы

Lorenz, E. N., 1955, Доступная потенциальная энергия и поддержание общей циркуляции, Tellus, 7, 157167. Эммануэль, К., 1986, часть I. Теория взаимодействия воздуха и моря для тропических циклонов, Дж. Атмос. Наука. 43, 585, (энергетический цикл взрослого урагана идеализировался здесь как двигатель Карно, который преобразует тепловую энергию, извлеченную из океана, в механическую энергию).