Atmosphärische Thermodynamik und Feuchtigkeit

Wärme und Wasser sind der Treibstoff des Wetters: Wenn Luft aufsteigt und abkühlt, kondensiert Wasserdampf und setzt Energie frei, die Wolken, Stürme und Regen antreibt, die wir durch die Thermodynamik verstehen und quantifizieren können.

Definition

Atmosphärische Thermodynamik und Feuchtigkeit ist der Zweig der Meteorologie, der sich mit dem Energie- und Wassergehalt der Luft, den Prozessen der Expansion, Abkühlung, Kondensation und Verdunstung, die ihn steuern, und ihren Folgen für Stabilität, Wolken und Niederschlag befasst.

Scope

Dieser Bereich umfasst die Thermodynamik trockener und feuchter Luft, die Beurteilung der atmosphärischen Stabilität und der von ihr zugelassenen Konvektion, die Messung und das Verhalten der atmosphärischen Feuchtigkeit sowie die mikrophysikalischen Prozesse, durch die Wolken und Niederschlag entstehen.

Sub-topics

• Atmosphärische Stabilität und Konvektion
• Atmosphärische Thermodynamik
• Wolken und Niederschlag
• Luftfeuchtigkeit und Wasserdampf

Core questions

• Wie lassen sich die Gesetze der Thermodynamik auf aufsteigende und absinkende Luft anwenden?
• Was bestimmt, ob die Atmosphäre stabil oder anfällig für Konvektion ist?
• Wie wird der Wasserdampfgehalt der Luft gemessen und ausgedrückt?
• Wie bilden und wachsen Wolkentröpfchen und Niederschlagspartikel?

Key theories

Adiabatische Prozesse und Temperaturgradienten

Aufsteigende Luft dehnt sich aus und kühlt mit der trockenadiabatischen Rate ab, bis die Sättigung erreicht ist; danach verlangsamt die Freisetzung latenter Wärme die Abkühlung auf die feuchtadiabatische Rate, die Grundlage für die Beurteilung von Stabilität und Wolkenentwicklung.

Wolkenmikrophysik

Wolkentröpfchen bilden sich an Aerosolkernen und wachsen durch Kondensation und Kollision; durch Warmregen- oder Eisprozesse werden sie groß genug, um als Niederschlag zu fallen.

Mechanisms

Wenn ein Luftpaket aufsteigt, dehnt es sich aus und kühlt ab, ohne Wärme mit seiner Umgebung auszutauschen, ein adiabatischer Prozess; sobald es bis zur Sättigung abgekühlt ist, kondensiert Wasserdampf und setzt latente Wärme frei. Ob das Paket weiter aufsteigt, hängt davon ab, wie seine Temperatur im Vergleich zur Umgebung ist, was Stabilität und Konvektion definiert. Das kondensierte Wasser bildet Wolken, und mikrophysikalisches Wachstum durch Kondensation, Kollision und Eisprozesse kann Partikel erzeugen, die schwer genug sind, um als Niederschlag zu fallen.

Clinical relevance

Thermodynamische und Feuchtigkeitsprinzipien liegen den Vorhersagen von Wolken und Niederschlag, des Gewitterpotenzials durch Maße wie die konvektive verfügbare potentielle Energie, von Nebel und Frost sowie von Komfortindizes zugrunde, was sie für die operative Meteorologie und Luftfahrt unverzichtbar macht.

History

Die Thermodynamik des 19. Jahrhunderts wurde durch die Arbeiten über adiabatische Prozesse und die Entwicklung des Tephigramms und anderer thermodynamischer Diagramme auf die Atmosphäre angewendet; im 20. Jahrhundert etablierten Bergeron, Findeisen und andere die Mikrophysik der Wolken- und Niederschlagsbildung, die das Feld vervollständigt.

Key figures

• Tor Bergeron
• Walter Findeisen
• Hilding Kohler

Seminal works

• wallace2006
• rogers1989

Frequently asked questions

Warum kühlt aufsteigende Luft ab?

Wenn Luft in geringeren Druck aufsteigt, dehnt sie sich aus, und da die Expansion Arbeit auf Kosten der inneren Energie der Luft leistet, kühlt die Luft ab, obwohl keine Wärme entzogen wird, ein Prozess, der als adiabatische Abkühlung bezeichnet wird.

Warum bilden sich Wolken, wenn Luft aufsteigt?

Aufsteigende Luft kühlt ab, bis sie die Sättigung erreicht, den Punkt, an dem sie keinen Wasserdampf mehr aufnehmen kann; der überschüssige Dampf kondensiert dann an winzigen Partikeln, um die Tröpfchen oder Eiskristalle zu bilden, aus denen eine Wolke besteht.