大気熱力学

空気に対する熱力学法則の適用であり、温度、圧力、水分、および鉛直運動のエネルギーを支配する。

Definition

大気熱力学は、熱力学の法則を空気と水蒸気に適用し、それらの状態、エネルギー、および相転移を記述する大気物理学の一分野である。

Scope

この分野は、乾燥空気と湿潤空気の熱力学的挙動、すなわち気体法則と静水圧平衡、上昇および下降する気塊に適用される熱力学第一法則、断熱過程と減率、水の相変化の熱力学、静的安定性と対流のエネルギー論、および大気観測データを分析するために使用される図式熱力学図を扱う。

Sub-topics

• Atmospheric Stability and Convection
• Moist and Dry Adiabatic Processes
• Thermodynamic Diagrams
• Water Vapour and Humidity

Core questions

• 上昇する気塊はどのように冷却され、水分はこの冷却速度をどのように変化させるのか？
• 大気が鉛直運動に抵抗するか、それとも促進するかを決定する要因は何か？
• 温度と湿度のプロファイルから、対流に利用可能なエネルギーはどのように診断されるのか？

Key theories

気塊に適用される熱力学第一法則

気塊を熱力学系として扱うことで、その温度変化を膨張中に為される仕事と凝結によって放出される潜熱に関連付け、乾燥断熱減率と湿潤断熱減率を導き出す。

安定性の気塊理論

変位した気塊の温度をその周囲と比較することで浮力、ひいては静的安定性が決定され、これが対流を診断する基礎となる。

Mechanisms

空気は理想気体法則に厳密に従い、その鉛直圧力構造は静水圧平衡に従う。気塊が上昇すると、膨張して乾燥断熱減率（約9.8℃/km）で冷却され、飽和に達する。飽和後は、潜熱放出により冷却が湿潤断熱減率に減少する。気塊の温度と周囲の温度との差が浮力を決定し、鉛直変位が減衰するか増幅されるかを制御する。

Clinical relevance

熱力学的推論は、雷雨や激しい対流の予測、モデル物理の構築、およびラジオゾンデ観測データの解釈の基礎となる。

History

大気熱力学は、ヘルツ、フォン・ベゾルト、ノルマンが古典熱力学を湿潤空気に適用し、対流解析の中心となる断熱図と相当温位の概念を生み出した19世紀後半から20世紀初頭にかけて成熟した。

Key figures

• Craig Bohren
• Julio Iribarne

Seminal works

• bohren1998
• iribarne1981

Frequently asked questions

上昇する空気は、周囲に熱を失うことなく冷却されるのはなぜか？

上昇する気塊は、周囲の低い圧力に対して膨張し、仕事を行い、内部エネルギーを仕事に変換するため、熱交換がなくても断熱的に温度が低下する。