الديناميكا الحرارية للغلاف الجوي

إن التعامل مع فقاعة الهواء كنظام ديناميكي حراري يفسر سبب برودة الجبال، وسبب دفء الهواء الهابط من سلسلة جبلية، وسبب تحول كتلة هوائية صاعدة إلى عاصفة شاهقة عند إطلاق الحرارة الكامنة.

Definition

الديناميكا الحرارية للغلاف الجوي هي دراسة تحولات الطاقة للكتل الهوائية، وخاصة التمدد والانضغاط الكظمي الذي يحكم درجة حرارتها وتبادلات الحرارة الكامنة المصاحبة للتغيرات في طور الماء.

Scope

يغطي هذا الموضوع تطبيق القانون الأول للديناميكا الحرارية على الكتل الهوائية في الغلاف الجوي، ومعدلات التناقص الحراري الكظمي الجاف والرطب، والمتغيرات المحفوظة مثل درجة الحرارة الكامنة ودرجة الحرارة الكامنة المكافئة، والرسوم البيانية الديناميكية الحرارية المستخدمة لتحليل القياسات الجوية.

Core questions

• كيف يصف القانون الأول للديناميكا الحرارية كتلة هوائية صاعدة أو هابطة؟
• ما هي معدلات التناقص الحراري الكظمي الجاف والرطب ولماذا تختلف؟
• لماذا تعتبر درجة الحرارة الكامنة ودرجة الحرارة الكامنة المكافئة كميات محفوظة مفيدة؟
• كيف تمثل الرسوم البيانية الديناميكية الحرارية حالة الغلاف الجوي وعملياته؟

Key theories

معدلات التناقص الحراري الكظمي

تبرد الكتلة غير المشبعة عند الصعود بمعدل كظمي جاف ثابت، بينما تبرد الكتلة المشبعة ببطء أكبر بمعدل كظمي رطب لأن التكثف يطلق حرارة كامنة في الكتلة.

المتغيرات الديناميكية الحرارية المحفوظة

تُحفظ درجة الحرارة الكامنة في الحركة الكظمية الجافة ودرجة الحرارة الكامنة المكافئة في الحركة الكظمية الرطبة، لذا فإن هذه الكميات تحدد الكتل الهوائية وتكشف عن أصولها واستقرارها.

Mechanisms

نظرًا لأن الهواء موصل رديء وتتحرك الكتل بسرعة، فإن الحركة الرأسية تُقرب جيدًا على أنها كظمية: تتمدد الكتلة الصاعدة وتبرد، بينما تنضغط الكتلة الهابطة وتدفأ. يحدد القانون الأول معدل التبريد، وهو معدل التناقص الحراري الكظمي الجاف، حتى التشبع، وبعد ذلك تقلله الحرارة الكامنة الناتجة عن التكثف إلى المعدل الكظمي الرطب. تُحفظ درجة الحرارة الكامنة، التي تزيل تأثير الضغط، في الحركة الجافة، ودرجة الحرارة الكامنة المكافئة في الحركة الرطبة، مما يوفر متتبعات تُقرأ مباشرة من الرسوم البيانية الديناميكية الحرارية مثل مخطط التيفرام (tephigram) أو مخطط الانحراف-T (skew-T).

Clinical relevance

تكمن الديناميكا الحرارية للغلاف الجوي وراء تفسير القياسات الجوية لتقييم الاستقرار والتنبؤ بالحمل الحراري، والتنبؤ بدفء رياح الفوهن (foehn) والشينوك (chinook) الهابطة على المنحدرات الجبلية، وحساب قواعد السحب والطاقة الحملية المستخدمة يوميًا في التنبؤات التشغيلية.

History

تطور تطبيق الديناميكا الحرارية الكلاسيكية على الغلاف الجوي في أواخر القرن التاسع عشر وأوائل القرن العشرين، بالاعتماد على أعمال هيلمهولتز وآخرين، وشمل إدخال درجة الحرارة الكامنة وتصميم الرسوم البيانية الديناميكية الحرارية مثل مخطط التيفرام (tephigram) بواسطة نابير شو (Napier Shaw) ومخطط الانحراف-T لوغاريتم-p (skew-T log-p) اللاحق، والتي لا تزال أدوات قياسية لتحليل البنية الرأسية للغلاف الجوي.

Key figures

• William Napier Shaw
• Hermann von Helmholtz
• Vilhelm Bjerknes

Seminal works

• bohren1998
• iribarne1981

Frequently asked questions

لماذا يبرد الهواء بشكل أسرع عندما يكون جافًا مقارنةً عندما يكون مكونًا للسحب؟

يبرد الهواء الجاف بمعدل التناقص الحراري الكظمي الجاف أثناء صعوده، ولكن بمجرد تشبع الكتلة وتكون السحب، يطلق التكثف حرارة كامنة تعوض جزئيًا التبريد، لذلك تبرد الكتلة ببطء أكبر بمعدل التناقص الحراري الكظمي الرطب.

ما هي درجة الحرارة الكامنة؟

درجة الحرارة الكامنة هي درجة الحرارة التي ستحصل عليها كتلة هوائية إذا تم إحضارها كظميًا إلى ضغط قياسي؛ ولأنها تظل ثابتة أثناء الحركة الرأسية الجافة، فهي تسمية مناسبة تحدد وتتبع كتل الهواء.