ترمودینامیک و رطوبت جوی

گرما و آب سوخت آب و هوا هستند: با بالا رفتن و سرد شدن هوا، بخار آب متراکم شده و انرژی آزاد می‌کند و ابرها، طوفان‌ها و باران را که ترمودینامیک به ما امکان درک و اندازه‌گیری آن‌ها را می‌دهد، به حرکت درمی‌آورد.

Definition

ترمودینامیک و رطوبت جوی شاخه‌ای از هواشناسی است که به محتوای انرژی و آب هوا، فرآیندهای انبساط، سرد شدن، تراکم و تبخیر که بر آن حاکم هستند، و پیامدهای آن‌ها برای پایداری، ابرها و بارش می‌پردازد.

Scope

این حوزه شامل ترمودینامیک هوای خشک و مرطوب، ارزیابی پایداری جوی و همرفتی که این پایداری اجازه می‌دهد، اندازه‌گیری و رفتار رطوبت جوی، و فرآیندهای میکر فیزیکی است که ابرها و بارش از طریق آن‌ها شکل می‌گیرند.

Sub-topics

• پایداری جوی و همرفت
• ترمودینامیک جوی
• ابرها و بارش
• رطوبت و بخار آب

Core questions

• قوانین ترمودینامیک چگونه در مورد هوای در حال صعود و نزول اعمال می‌شوند؟
• چه عواملی تعیین می‌کنند که جو پایدار است یا مستعد همرفتی؟
• محتوای بخار آب هوا چگونه اندازه‌گیری و بیان می‌شود؟
• قطرات ابر و ذرات بارش چگونه تشکیل و رشد می‌کنند؟

Key theories

فرآیندهای بی‌دررو و نرخ کاهش دما

هوای در حال صعود با نرخ بی‌دررو خشک منبسط و سرد می‌شود تا به اشباع برسد، پس از آن آزاد شدن گرمای نهان، سرد شدن را به نرخ بی‌دررو مرطوب کاهش می‌دهد، که مبنایی برای ارزیابی پایداری و توسعه ابر است.

میکر فیزیک ابر

قطرات ابر بر روی هسته‌های آئروسل تشکیل می‌شوند و از طریق تراکم و برخورد، و از طریق فرآیندهای باران گرم یا یخ به اندازه‌ای بزرگ می‌شوند که به صورت بارش سقوط کنند.

Mechanisms

هنگامی که توده‌ای از هوا بالا می‌رود، بدون تبادل گرما با محیط اطراف خود منبسط و سرد می‌شود، که یک فرآیند بی‌دررو (آدیاباتیک) است؛ هنگامی که تا حد اشباع سرد شود، بخار آب متراکم شده و گرمای نهان آزاد می‌کند. اینکه آیا توده هوا به بالا رفتن ادامه می‌دهد، بستگی به مقایسه دمای آن با محیط دارد که پایداری و همرفتی را تعریف می‌کند. آب متراکم شده ابرها را تشکیل می‌دهد، و رشد میکر فیزیکی از طریق تراکم، برخورد و فرآیندهای یخ می‌تواند ذراتی به اندازه کافی سنگین تولید کند تا به صورت بارش سقوط کنند.

Clinical relevance

اصول ترمودینامیکی و رطوبتی زیربنای پیش‌بینی ابرها و بارش، پتانسیل رعد و برق از طریق معیارهایی مانند انرژی پتانسیل همرفتی موجود، مه و یخبندان، و شاخص‌های راحتی هستند که آن‌ها را برای هواشناسی عملیاتی و هوانوردی ضروری می‌سازد.

History

ترمودینامیک قرن نوزدهم از طریق کار بر روی فرآیندهای بی‌دررو و توسعه تفیگرام و سایر نمودارهای ترمودینامیکی در جو به کار گرفته شد؛ در قرن بیستم، برگرون، فایندایزن و دیگران میکر فیزیک تشکیل ابر و بارش را که این حوزه را تکمیل می‌کند، پایه‌گذاری کردند.

Key figures

• Tor Bergeron
• Walter Findeisen
• Hilding Kohler

Seminal works

• wallace2006
• rogers1989

Frequently asked questions

چرا هوای در حال صعود سرد می‌شود؟

همانطور که هوا به سمت فشار کمتر بالا می‌رود، منبسط می‌شود، و از آنجا که انبساط کاری را به هزینه انرژی داخلی هوا انجام می‌دهد، هوا سرد می‌شود حتی اگر هیچ گرمایی حذف نشود، فرآیندی که سرمایش بی‌دررو نامیده می‌شود.

چرا وقتی هوا بالا می‌رود ابرها تشکیل می‌شوند؟

هوای در حال صعود سرد می‌شود تا به اشباع برسد، نقطه‌ای که دیگر نمی‌تواند بخار آب بیشتری را در خود نگه دارد؛ بخار اضافی سپس بر روی ذرات ریز متراکم می‌شود تا قطرات یا بلورهای یخی را که یک ابر را تشکیل می‌دهند، ایجاد کند.