Thermodynamique atmosphérique

Considérer une parcelle d'air comme un système thermodynamique permet d'expliquer pourquoi les montagnes sont froides, pourquoi l'air descendant d'une chaîne de montagnes se réchauffe, et pourquoi le dégagement de chaleur latente peut transformer une parcelle ascendante en une tempête imposante.

Definition

La thermodynamique atmosphérique est l'étude des transformations énergétiques des parcelles d'air, en particulier l'expansion et la compression adiabatiques qui régissent leur température et les échanges de chaleur latente accompagnant les changements de phase de l'eau.

Scope

Ce sujet aborde l'application du premier principe de la thermodynamique aux parcelles d'air atmosphériques, les gradients adiabatiques sec et humide, les variables conservées telles que la température potentielle et la température potentielle équivalente, ainsi que les diagrammes thermodynamiques utilisés pour analyser les sondages.

Core questions

• Comment le premier principe de la thermodynamique décrit-il une parcelle d'air ascendante ou descendante ?
• Quels sont les gradients adiabatiques sec et humide et pourquoi diffèrent-ils ?
• Pourquoi la température potentielle et la température potentielle équivalente sont-elles des quantités conservées utiles ?
• Comment les diagrammes thermodynamiques représentent-ils l'état et les processus de l'atmosphère ?

Key theories

Gradients adiabatiques

Une parcelle non saturée se refroidit lors de son ascension au gradient adiabatique sec constant, tandis qu'une parcelle saturée se refroidit plus lentement au gradient adiabatique humide car la condensation libère de la chaleur latente dans la parcelle.

Variables thermodynamiques conservées

La température potentielle est conservée lors d'un mouvement adiabatique sec et la température potentielle équivalente lors d'un mouvement adiabatique humide, ainsi, ces quantités étiquettent les parcelles d'air et révèlent leurs origines et leur stabilité.

Mechanisms

L'air étant un mauvais conducteur et les parcelles se déplaçant rapidement, le mouvement vertical est bien approximé comme adiabatique : une parcelle ascendante se dilate et se refroidit, tandis qu'une parcelle descendante se comprime et se réchauffe. Le premier principe détermine le taux de refroidissement, le gradient adiabatique sec, jusqu'à la saturation, après quoi la chaleur latente due à la condensation le réduit au gradient adiabatique humide. La température potentielle, qui élimine l'effet de la pression, est conservée lors d'un mouvement sec, et la température potentielle équivalente lors d'un mouvement humide, fournissant des traceurs qui sont lus directement sur des diagrammes thermodynamiques tels que le téphigramme ou le skew-T.

Clinical relevance

La thermodynamique atmosphérique est à la base de l'interprétation des sondages pour évaluer la stabilité et prévoir la convection, de la prévision du réchauffement de type foehn et chinook en aval des montagnes, et du calcul des bases nuageuses et de l'énergie convective utilisés quotidiennement dans les prévisions opérationnelles.

History

L'application de la thermodynamique classique à l'atmosphère s'est développée à la fin du XIXe et au début du XXe siècle, s'appuyant sur les travaux de Helmholtz et d'autres, et a inclus l'introduction de la température potentielle et la conception de diagrammes thermodynamiques tels que le téphigramme par Napier Shaw et le diagramme skew-T log-p ultérieur, qui restent des outils standard pour analyser la structure verticale de l'atmosphère.

Key figures

• William Napier Shaw
• Hermann von Helmholtz
• Vilhelm Bjerknes

Seminal works

• bohren1998
• iribarne1981

Frequently asked questions

Pourquoi l'air se refroidit-il plus rapidement lorsqu'il est sec que lorsqu'il forme des nuages ?

L'air sec se refroidit au gradient adiabatique sec lorsqu'il s'élève, mais une fois qu'une parcelle est saturée et que des nuages se forment, la condensation libère de la chaleur latente qui compense partiellement le refroidissement, de sorte que la parcelle se refroidit plus lentement au gradient adiabatique humide.

Qu'est-ce que la température potentielle ?

La température potentielle est la température qu'une parcelle d'air aurait si elle était amenée adiabatiquement à une pression standard ; parce qu'elle reste constante lors d'un mouvement vertical sec, elle constitue une étiquette pratique qui identifie et suit les parcelles d'air.