Termodinamika Atmosfer

Memperlakukan gelembung udara sebagai sistem termodinamika menjelaskan mengapa gunung-gunung dingin, mengapa udara yang turun dari pegunungan menjadi hangat, dan mengapa pelepasan panas laten dapat mengubah massa udara yang naik menjadi badai yang menjulang tinggi.

Definition

Termodinamika atmosfer adalah studi tentang transformasi energi massa udara, khususnya ekspansi dan kompresi adiabatik yang mengatur suhunya dan pertukaran panas laten yang menyertai perubahan fase air.

Scope

Topik ini mencakup penerapan hukum pertama termodinamika pada massa udara atmosfer, laju penurunan adiabatik kering dan lembap, variabel-variabel yang kekal seperti suhu potensial dan suhu potensial ekuivalen, serta diagram termodinamika yang digunakan untuk menganalisis sounding.

Core questions

• Bagaimana hukum pertama termodinamika menjelaskan massa udara yang naik atau turun?
• Apa itu laju penurunan adiabatik kering dan lembap dan mengapa keduanya berbeda?
• Mengapa suhu potensial dan suhu potensial ekuivalen merupakan kuantitas kekal yang berguna?
• Bagaimana diagram termodinamika merepresentasikan keadaan dan proses atmosfer?

Key theories

Laju penurunan adiabatik

Massa udara tak jenuh mendingin saat naik pada laju adiabatik kering yang konstan, sedangkan massa udara jenuh mendingin lebih lambat pada laju adiabatik lembap karena kondensasi melepaskan panas laten ke dalam massa udara.

Variabel termodinamika yang kekal

Suhu potensial kekal dalam gerakan adiabatik kering dan suhu potensial ekuivalen dalam gerakan adiabatik lembap, sehingga kuantitas ini melabeli massa udara dan mengungkapkan asal serta stabilitasnya.

Mechanisms

Karena udara adalah konduktor yang buruk dan massa udara bergerak dengan cepat, gerakan vertikal dapat didekati dengan baik sebagai adiabatik: massa udara yang naik mengembang dan mendingin, sedangkan yang turun mengompresi dan menghangat. Hukum pertama menetapkan laju pendinginan, yaitu laju penurunan adiabatik kering, hingga saturasi, setelah itu panas laten dari kondensasi menguranginya menjadi laju adiabatik lembap. Suhu potensial, yang menghilangkan efek tekanan, kekal dalam gerakan kering, dan suhu potensial ekuivalen dalam gerakan lembap, menyediakan penjejak yang dibaca langsung dari diagram termodinamika seperti tephigram atau skew-T.

Clinical relevance

Termodinamika atmosfer mendasari interpretasi sounding untuk menilai stabilitas dan memprediksi konveksi, prediksi pemanasan foehn dan chinook di lereng gunung, serta perhitungan dasar awan dan energi konvektif yang digunakan setiap hari dalam prakiraan operasional.

History

Penerapan termodinamika klasik pada atmosfer berkembang pada akhir abad kesembilan belas dan awal abad kedua puluh, berdasarkan karya Helmholtz dan lainnya, dan mencakup pengenalan suhu potensial serta desain diagram termodinamika seperti tephigram oleh Napier Shaw dan diagram skew-T log-p yang lebih baru, yang tetap menjadi alat standar untuk menganalisis struktur vertikal atmosfer.

Key figures

• William Napier Shaw
• Hermann von Helmholtz
• Vilhelm Bjerknes

Seminal works

• bohren1998
• iribarne1981

Frequently asked questions

Mengapa udara mendingin lebih cepat saat kering dibandingkan saat membentuk awan?

Udara kering mendingin pada laju penurunan adiabatik kering saat naik, tetapi setelah massa udara jenuh dan awan terbentuk, kondensasi melepaskan panas laten yang sebagian mengimbangi pendinginan, sehingga massa udara mendingin lebih lambat pada laju adiabatik lembap.

Apa itu suhu potensial?

Suhu potensial adalah suhu yang akan dimiliki massa udara jika dibawa secara adiabatik ke tekanan standar; karena tetap konstan selama gerakan vertikal kering, ini adalah label yang nyaman untuk mengidentifikasi dan melacak massa udara.