Atmosphärische Thermodynamik

Die Behandlung einer Luftblase als thermodynamisches System erklärt, warum Berge kalt sind, warum absinkende Luft an einem Gebirgszug sich erwärmt und warum die Freisetzung latenter Wärme eine aufsteigende Luftmasse in einen gewaltigen Sturm verwandeln kann.

Definition

Atmosphärische Thermodynamik ist die Untersuchung der Energieumwandlungen von Luftpaketen, insbesondere der adiabatischen Expansion und Kompression, die deren Temperatur bestimmen, sowie der latenten Wärmeaustausche, die mit Phasenänderungen des Wassers einhergehen.

Scope

Dieses Thema behandelt die Anwendung des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik auf atmosphärische Luftpakete, die trocken- und feuchtadiabatischen Temperaturgradienten, konservierte Variablen wie die potenzielle und äquivalent-potenzielle Temperatur sowie die thermodynamischen Diagramme zur Analyse von Sondierungen.

Core questions

• Wie beschreibt der erste Hauptsatz der Thermodynamik ein aufsteigendes oder absinkendes Luftpaket?
• Was sind der trocken- und feuchtadiabatische Temperaturgradient und warum unterscheiden sie sich?
• Warum sind die potenzielle und äquivalent-potenzielle Temperatur nützliche konservierte Größen?
• Wie stellen thermodynamische Diagramme den Zustand und die Prozesse der Atmosphäre dar?

Key theories

Adiabatische Temperaturgradienten

Ein ungesättigtes Luftpaket kühlt beim Aufstieg mit der konstanten trockenadiabatischen Rate ab, während ein gesättigtes Paket langsamer mit der feuchtadiabatischen Rate abkühlt, da Kondensation latente Wärme in das Paket freisetzt.

Konservierte thermodynamische Variablen

Die potenzielle Temperatur bleibt bei trockener adiabatischer Bewegung erhalten und die äquivalent-potenzielle Temperatur bei feuchter adiabatischer Bewegung, sodass diese Größen Luftpakete kennzeichnen und deren Ursprünge und Stabilität aufzeigen.

Mechanisms

Da Luft ein schlechter Leiter ist und Luftpakete sich schnell bewegen, kann die vertikale Bewegung gut als adiabatisch angenähert werden: Ein aufsteigendes Paket dehnt sich aus und kühlt ab, ein absinkendes komprimiert sich und erwärmt sich. Der erste Hauptsatz bestimmt die Abkühlungsrate, den trockenadiabatischen Temperaturgradienten, bis zur Sättigung, wonach latente Wärme aus der Kondensation diese auf die feuchtadiabatische Rate reduziert. Die potenzielle Temperatur, die den Druckeffekt eliminiert, bleibt bei trockener Bewegung erhalten, und die äquivalent-potenzielle Temperatur bei feuchter Bewegung, was Tracer liefert, die direkt aus thermodynamischen Diagrammen wie dem Tephigramm oder dem Skew-T abgelesen werden können.

Clinical relevance

Die atmosphärische Thermodynamik bildet die Grundlage für die Interpretation von Sondierungen zur Beurteilung der Stabilität und Vorhersage von Konvektion, die Vorhersage von Föhn- und Chinook-Erwärmung an den Leeseiten von Bergen sowie die Berechnung von Wolkenuntergrenzen und konvektiver Energie, die täglich in der operationellen Wettervorhersage verwendet werden.

History

Die Anwendung der klassischen Thermodynamik auf die Atmosphäre entwickelte sich im späten neunzehnten und frühen zwanzigsten Jahrhundert, basierend auf den Arbeiten von Helmholtz und anderen, und umfasste die Einführung der potenziellen Temperatur und die Entwicklung thermodynamischer Diagramme wie des Tephigramms von Napier Shaw und des späteren Skew-T-log-p-Diagramms, die bis heute Standardwerkzeuge zur Analyse der vertikalen Struktur der Atmosphäre sind.

Key figures

• William Napier Shaw
• Hermann von Helmholtz
• Vilhelm Bjerknes

Seminal works

• bohren1998
• iribarne1981

Frequently asked questions

Warum kühlt Luft schneller ab, wenn sie trocken ist, als wenn sie Wolken bildet?

Trockene Luft kühlt beim Aufstieg mit dem trockenadiabatischen Temperaturgradienten ab, aber sobald ein Paket gesättigt ist und sich Wolken bilden, setzt Kondensation latente Wärme frei, die die Abkühlung teilweise ausgleicht, sodass das Paket langsamer mit der feuchtadiabatischen Rate abkühlt.

Was ist die potenzielle Temperatur?

Die potenzielle Temperatur ist die Temperatur, die ein Luftpaket hätte, wenn es adiabatisch auf einen Standarddruck gebracht würde; da sie bei trockener vertikaler Bewegung konstant bleibt, ist sie eine bequeme Kennzeichnung, die Luftpakete identifiziert und verfolgt.