الديناميكا الحرارية والرطوبة الجوية
تُعد الحرارة والماء وقود الطقس: فمع ارتفاع الهواء وتبريده، يتكثف بخار الماء ويطلق الطاقة، مما يغذي السحب والعواصف والأمطار التي تمكننا الديناميكا الحرارية من فهمها وقياسها كميًا.
Definition
الديناميكا الحرارية والرطوبة الجوية هي فرع من علم الأرصاد الجوية يهتم بمحتوى الطاقة والماء في الهواء، وعمليات التمدد والتبريد والتكثف والتبخر التي تحكمه، وعواقبها على الاستقرار والسحب والهطول.
Scope
يغطي هذا المجال الديناميكا الحرارية للهواء الجاف والرطب، وتقييم الاستقرار الجوي والحمل الحراري الذي يسمح به، وقياس سلوك الرطوبة الجوية، والعمليات الفيزيائية الدقيقة التي تتشكل بها السحب والهطول.
Sub-topics
Core questions
- كيف تُطبق قوانين الديناميكا الحرارية على الهواء الصاعد والهابط؟
- ما الذي يحدد ما إذا كان الغلاف الجوي مستقرًا أم عرضة للحمل الحراري؟
- كيف يُقاس ويُعبر عن محتوى بخار الماء في الهواء؟
- كيف تتشكل قطرات السحب وجزيئات الهطول وتنمو؟
Key theories
- العمليات الكظمية ومعدلات التناقص الحراري
- يتمدد الهواء الصاعد ويبرد بمعدل كظمي جاف حتى التشبع، وبعد ذلك يؤدي إطلاق الحرارة الكامنة إلى إبطاء التبريد إلى المعدل الكظمي الرطب، وهو الأساس لتقييم الاستقرار وتطور السحب.
- الفيزياء الدقيقة للسحب
- تتكون قطرات السحب على نوى الهباء الجوي وتنمو عن طريق التكثف والتصادم، ومن خلال عمليات المطر الدافئ أو الجليد تصبح كبيرة بما يكفي لتسقط على شكل هطول.
Mechanisms
عندما ترتفع كتلة هوائية فإنها تتمدد وتبرد دون تبادل حراري مع محيطها، وهي عملية كظمية (adiabatic process)؛ وبمجرد أن تبرد إلى حد التشبع، يتكثف بخار الماء ويطلق حرارة كامنة. يعتمد استمرار ارتفاع الكتلة الهوائية على كيفية مقارنة درجة حرارتها بالبيئة المحيطة، وهو ما يحدد الاستقرار والحمل الحراري. يشكل الماء المتكثف السحب، ويمكن للنمو الفيزيائي الدقيق عن طريق التكثف والتصادم وعمليات الجليد أن ينتج جزيئات ثقيلة بما يكفي لتسقط على شكل هطول.
Clinical relevance
تُعد مبادئ الديناميكا الحرارية والرطوبة أساسًا لتوقعات السحب والهطول، وإمكانية حدوث العواصف الرعدية من خلال مقاييس مثل طاقة الوضع المتاحة للحمل الحراري (convective available potential energy)، والضباب والصقيع، ومؤشرات الراحة، مما يجعلها لا غنى عنها في الأرصاد الجوية التشغيلية والطيران.
History
طُبقت الديناميكا الحرارية في القرن التاسع عشر على الغلاف الجوي من خلال العمل على العمليات الكظمية وتطوير مخطط درجة الحرارة والضغط (tephigram) ومخططات ديناميكية حرارية أخرى؛ وفي القرن العشرين، أرسى بيرجيرون وفينديسن وآخرون الفيزياء الدقيقة لتكوين السحب والهطول التي تكمل هذا المجال.
Key figures
- Tor Bergeron
- Walter Findeisen
- Hilding Kohler
Related topics
Seminal works
- wallace2006
- rogers1989
Frequently asked questions
- لماذا يبرد الهواء الصاعد؟
- عندما يرتفع الهواء إلى ضغط أقل، فإنه يتمدد، ولأن التمدد يقوم بعمل على حساب الطاقة الداخلية للهواء، يبرد الهواء على الرغم من عدم إزالة أي حرارة، وهي عملية تسمى التبريد الكظمي.
- لماذا تتشكل السحب عندما يرتفع الهواء؟
- يبرد الهواء الصاعد حتى يصل إلى التشبع، وهي النقطة التي لا يستطيع عندها الاحتفاظ بالمزيد من بخار الماء؛ ثم يتكثف البخار الزائد على جزيئات صغيرة لتشكيل القطرات أو بلورات الجليد التي تتكون منها السحابة.