Atmosphärische Thermodynamik

Die Anwendung thermodynamischer Gesetze auf die Luft, die Temperatur, Druck, Feuchtigkeit und die Energie vertikaler Bewegungen regelt.

Definition

Die atmosphärische Thermodynamik ist der Zweig der Atmosphärenphysik, der die Gesetze der Thermodynamik auf Luft und Wasserdampf anwendet, um deren Zustand, Energie und Phasenübergänge zu beschreiben.

Scope

Dieser Bereich umfasst das thermodynamische Verhalten trockener und feuchter Luft: die Gasgesetze und das hydrostatische Gleichgewicht, das erste Gesetz angewendet auf aufsteigende und absteigende Luftpakete, adiabatische Prozesse und Temperaturgradienten, die Thermodynamik von Phasenübergängen des Wassers, statische Stabilität und die Energetik der Konvektion sowie die grafischen thermodynamischen Diagramme, die zur Analyse atmosphärischer Sondierungen verwendet werden.

Sub-topics

• Atmosphärische Stabilität und Konvektion
• Trocken- und Feuchtadiabatische Prozesse
• Thermodynamische Diagramme
• Wasserdampf und Feuchtigkeit

Core questions

• Wie kühlt sich ein aufsteigendes Luftpaket ab, und wie verändert Feuchtigkeit diese Rate?
• Was bestimmt, ob die Atmosphäre vertikale Bewegung widersteht oder begünstigt?
• Wie wird die für Konvektion verfügbare Energie aus einem Temperatur- und Feuchtigkeitsprofil diagnostiziert?

Key theories

Erstes Gesetz angewendet auf Luftpakete

Die Betrachtung eines Luftpakets als thermodynamisches System setzt seine Temperaturänderungen in Beziehung zur bei der Expansion geleisteten Arbeit und zur durch Kondensation freigesetzten latenten Wärme, was zu den trocken- und feuchtadiabatischen Temperaturgradienten führt.

Pakettheorie der Stabilität

Der Vergleich der Temperatur eines verlagerten Luftpakets mit seiner Umgebung bestimmt den Auftrieb und damit die statische Stabilität, die Grundlage für die Diagnose von Konvektion.

Mechanisms

Luft gehorcht weitgehend dem idealen Gasgesetz, und ihre vertikale Druckstruktur folgt dem hydrostatischen Gleichgewicht. Wenn ein Luftpaket aufsteigt, dehnt es sich aus und kühlt mit der trockenadiabatischen Rate von etwa 9,8 Grad Celsius pro Kilometer ab, bis die Sättigung erreicht ist. Danach reduziert die Freisetzung latenter Wärme die Abkühlung auf die feuchtadiabatische Rate. Die Differenz zwischen der Temperatur eines Luftpakets und der seiner Umgebung bestimmt seinen Auftrieb und steuert, ob vertikale Verlagerungen gedämpft oder verstärkt werden.

Clinical relevance

Thermodynamische Überlegungen liegen der Vorhersage von Gewittern und starker Konvektion, der Konstruktion von Modellphysik und der Interpretation von Radiosondenmessungen zugrunde.

History

Die atmosphärische Thermodynamik entwickelte sich im späten neunzehnten und frühen zwanzigsten Jahrhundert, als Hertz, von Bezold und Normand die klassische Thermodynamik auf feuchte Luft anwandten und dabei das adiabatische Diagramm und das Konzept der äquivalenten potentiellen Temperatur hervorbrachten, die bis heute für die konvektive Analyse zentral sind.

Key figures

• Craig Bohren
• Julio Iribarne

Seminal works

• bohren1998
• iribarne1981

Frequently asked questions

Warum kühlt sich aufsteigende Luft ab, auch ohne Wärme an die Umgebung abzugeben?

Ein aufsteigendes Luftpaket dehnt sich gegen den geringeren Umgebungsdruck aus, leistet Arbeit und wandelt innere Energie in Arbeit um, sodass seine Temperatur auch ohne Wärmeaustausch adiabatisch sinkt.