Termodinámica Atmosférica

Tratar una burbuja de aire como un sistema termodinámico explica por qué las montañas son frías, por qué el aire que desciende de una cordillera se calienta y por qué la liberación de calor latente puede convertir una parcela ascendente en una tormenta imponente.

Definition

La termodinámica atmosférica es el estudio de las transformaciones energéticas de las parcelas de aire, particularmente la expansión y compresión adiabática que rigen su temperatura y los intercambios de calor latente que acompañan los cambios de fase del agua.

Scope

Este tema abarca la aplicación de la primera ley de la termodinámica a las parcelas de aire atmosférico, los gradientes adiabáticos secos y húmedos, las variables conservadas como la temperatura potencial y la temperatura potencial equivalente, y los diagramas termodinámicos utilizados para analizar los sondeos.

Core questions

• ¿Cómo describe la primera ley de la termodinámica una parcela de aire ascendente o descendente?
• ¿Cuáles son los gradientes adiabáticos secos y húmedos y por qué difieren?
• ¿Por qué la temperatura potencial y la temperatura potencial equivalente son cantidades conservadas útiles?
• ¿Cómo representan los diagramas termodinámicos el estado y los procesos de la atmósfera?

Key theories

Gradientes adiabáticos

Una parcela no saturada se enfría en el ascenso a una tasa adiabática seca constante, mientras que una parcela saturada se enfría más lentamente a la tasa adiabática húmeda porque la condensación libera calor latente en la parcela.

Variables termodinámicas conservadas

La temperatura potencial se conserva en el movimiento adiabático seco y la temperatura potencial equivalente en el movimiento adiabático húmedo, por lo que estas cantidades etiquetan las parcelas de aire y revelan sus orígenes y estabilidad.

Mechanisms

Debido a que el aire es un mal conductor y las parcelas se mueven rápidamente, el movimiento vertical se aproxima bien como adiabático: una parcela ascendente se expande y enfría, una descendente se comprime y calienta. La primera ley establece la tasa de enfriamiento, el gradiente adiabático seco, hasta la saturación, después de lo cual el calor latente de la condensación lo reduce a la tasa adiabática húmeda. La temperatura potencial, que elimina el efecto de la presión, se conserva en el movimiento seco, y la temperatura potencial equivalente en el movimiento húmedo, proporcionando trazadores que se leen directamente de diagramas termodinámicos como el tefigrama o el skew-T.

Clinical relevance

La termodinámica atmosférica sustenta la interpretación de los sondeos para evaluar la estabilidad y pronosticar la convección, la predicción del calentamiento foehn y chinook a sotavento de las montañas, y el cálculo de las bases de las nubes y la energía convectiva utilizada diariamente en la previsión operativa.

History

La aplicación de la termodinámica clásica a la atmósfera se desarrolló a finales del siglo XIX y principios del XX, basándose en el trabajo de Helmholtz y otros, e incluyó la introducción de la temperatura potencial y el diseño de diagramas termodinámicos como el tefigrama de Napier Shaw y el posterior diagrama skew-T log-p, que siguen siendo herramientas estándar para analizar la estructura vertical de la atmósfera.

Key figures

• William Napier Shaw
• Hermann von Helmholtz
• Vilhelm Bjerknes

Seminal works

• bohren1998
• iribarne1981

Frequently asked questions

¿Por qué el aire se enfría más rápido cuando está seco que cuando está formando nubes?

El aire seco se enfría a la tasa adiabática seca a medida que asciende, pero una vez que una parcela se satura y se forman nubes, la condensación libera calor latente que compensa parcialmente el enfriamiento, por lo que la parcela se enfría más lentamente a la tasa adiabática húmeda.

¿Qué es la temperatura potencial?

La temperatura potencial es la temperatura que tendría una parcela de aire si se llevara adiabáticamente a una presión estándar; debido a que permanece constante durante el movimiento vertical seco, es una etiqueta conveniente que identifica y rastrea las parcelas de aire.