ترمودینامیک جوی

بررسی یک حباب هوا به عنوان یک سامانه ترمودینامیکی توضیح می‌دهد که چرا کوهستان‌ها سرد هستند، چرا هوای فرونشیننده از یک رشته‌کوه گرم می‌شود، و چرا آزادسازی گرمای نهان می‌تواند یک توده هوای بالارونده را به یک توفان عظیم تبدیل کند.

Definition

ترمودینامیک جوی مطالعه تبدیل انرژی توده‌های هوا، به ویژه انبساط و فشرده‌سازی بی‌دررو که دمای آن‌ها را کنترل می‌کند و تبادلات گرمای نهان همراه با تغییرات فاز آب است.

Scope

این موضوع کاربرد قانون اول ترمودینامیک را در توده‌های هوای جوی، نرخ‌های کاهش دمای بی‌دررو خشک و مرطوب، متغیرهای پایسته مانند دمای پتانسیل و دمای پتانسیل معادل، و نمودارهای ترمودینامیکی مورد استفاده برای تحلیل سونداژها را پوشش می‌دهد.

Core questions

• قانون اول ترمودینامیک چگونه یک توده هوای بالارونده یا فرونشیننده را توصیف می‌کند؟
• نرخ‌های کاهش دمای بی‌دررو خشک و مرطوب چیستند و چرا با هم تفاوت دارند؟
• چرا دمای پتانسیل و دمای پتانسیل معادل کمیات پایسته مفیدی هستند؟
• نمودارهای ترمودینامیکی چگونه وضعیت و فرآیندهای جو را نمایش می‌دهند؟

Key theories

نرخ‌های کاهش دمای بی‌دررو

یک توده هوای غیراشباع در هنگام صعود با نرخ ثابت بی‌دررو خشک سرد می‌شود، در حالی که یک توده هوای اشباع به دلیل آزادسازی گرمای نهان ناشی از چگالش در داخل توده، با نرخ بی‌دررو مرطوب کندتر سرد می‌شود.

متغیرهای ترمودینامیکی پایسته

دمای پتانسیل در حرکت بی‌دررو خشک و دمای پتانسیل معادل در حرکت بی‌دررو مرطوب پایسته است، بنابراین این کمیات توده‌های هوا را مشخص کرده و منشأ و پایداری آن‌ها را آشکار می‌سازند.

Mechanisms

از آنجا که هوا رسانای ضعیفی است و توده‌ها به سرعت حرکت می‌کنند، حرکت عمودی به خوبی به صورت بی‌دررو تقریب زده می‌شود: یک توده بالارونده منبسط شده و سرد می‌شود، و یک توده فرونشیننده فشرده شده و گرم می‌شود. قانون اول نرخ سرد شدن، یعنی نرخ کاهش دمای بی‌دررو خشک را تا زمان اشباع تعیین می‌کند، پس از آن گرمای نهان ناشی از چگالش آن را به نرخ بی‌دررو مرطوب کاهش می‌دهد. دمای پتانسیل، که اثر فشار را حذف می‌کند، در حرکت خشک پایسته است، و دمای پتانسیل معادل در حرکت مرطوب پایسته است، که ردیاب‌هایی را فراهم می‌کند که مستقیماً از نمودارهای ترمودینامیکی مانند تفگرام یا اسکیو-تی خوانده می‌شوند.

Clinical relevance

ترمودینامیک جوی مبنای تفسیر سونداژها برای ارزیابی پایداری و پیش‌بینی همرفت، پیش‌بینی گرمایش فوئن و شینوک در دامنه‌های کوهستان، و محاسبه ارتفاع پایه ابرها و انرژی همرفتی است که روزانه در پیش‌بینی عملیاتی استفاده می‌شود.

History

کاربرد ترمودینامیک کلاسیک در جو در اواخر قرن نوزدهم و اوایل قرن بیستم توسعه یافت، با تکیه بر کارهای هلمهولتز و دیگران، و شامل معرفی دمای پتانسیل و طراحی نمودارهای ترمودینامیکی مانند تفگرام توسط ناپیر شاو و نمودار اسکیو-تی لگ-پی بعدی بود که همچنان ابزارهای استانداردی برای تحلیل ساختار عمودی جو هستند.

Key figures

• William Napier Shaw
• Hermann von Helmholtz
• Vilhelm Bjerknes

Seminal works

• bohren1998
• iribarne1981

Frequently asked questions

چرا هوا در حالت خشک سریع‌تر از زمانی که در حال تشکیل ابر است، سرد می‌شود؟

هوای خشک با نرخ کاهش دمای بی‌دررو خشک در هنگام صعود سرد می‌شود، اما زمانی که یک توده هوا اشباع شده و ابرها تشکیل می‌شوند، چگالش گرمای نهان را آزاد می‌کند که تا حدی سرد شدن را جبران می‌کند، بنابراین توده هوا با نرخ بی‌دررو مرطوب کندتر سرد می‌شود.

دمای پتانسیل چیست؟

دمای پتانسیل دمایی است که یک توده هوا در صورت انتقال بی‌دررو به یک فشار استاندارد خواهد داشت؛ از آنجا که در طول حرکت عمودی خشک ثابت می‌ماند، یک برچسب مناسب است که توده‌های هوا را شناسایی و ردیابی می‌کند.