大気熱力学と水蒸気
熱と水は天候の原動力です。空気が上昇して冷えるにつれて、水蒸気が凝結してエネルギーを放出し、雲、嵐、雨を発生させます。熱力学は、これらの現象を理解し、定量化することを可能にします。
PaperMindでテーマを探す近日公開Find papers & topics
Tools & resources
Learn & explore
動画近日公開
Definition
大気熱力学と水蒸気は、空気のエネルギーと水分含有量、それを支配する膨張、冷却、凝結、蒸発のプロセス、およびそれらが安定性、雲、降水に与える影響に関心を持つ気象学の分野です。
Scope
この分野は、乾燥空気と湿潤空気の熱力学、大気の安定性の評価とそれが許容する対流、大気中の湿度の測定と挙動、および雲と降水が形成される微物理学的プロセスを扱います。
Sub-topics
Core questions
- 熱力学の法則は、上昇および下降する空気にどのように適用されますか？
- 大気が安定しているか、対流を起こしやすいかを決定する要因は何ですか？
- 空気中の水蒸気量はどのように測定され、表現されますか？
- 雲粒と降水粒子はどのように形成され、成長しますか？
Key theories
- 断熱過程と減率
- 上昇する空気は、飽和するまで乾燥断熱減率で膨張し冷却します。その後、潜熱放出により冷却が湿潤断熱減率に遅くなり、これが安定性と雲の発達を評価する基礎となります。
- 雲微物理学
- 雲粒はエアロゾル核上で形成され、凝結と衝突によって成長し、暖雨または氷のプロセスを通じて降水として落下するのに十分な大きさになります。
Mechanisms
空気塊が上昇すると、周囲と熱を交換することなく膨張し、冷却します。これは断熱プロセスです。飽和点まで冷却されると、水蒸気が凝結し、潜熱を放出します。空気塊が上昇を続けるかどうかは、その温度が周囲の環境とどのように比較されるかによって決まり、これが安定性と対流を定義します。凝結した水は雲を形成し、凝結、衝突、および氷のプロセスによる微物理学的成長により、降水として落下するのに十分な重さの粒子が生成されることがあります。
Clinical relevance
熱力学と水蒸気の原理は、雲と降水、対流有効位置エネルギーなどの指標による雷雨の可能性、霧と霜、および快適性指標の予測の基礎となっており、運用気象学と航空にとって不可欠です。
History
19世紀の熱力学は、断熱プロセスに関する研究やテフィグラムなどの熱力学図の開発を通じて大気に適用されました。20世紀には、ベルジェロン、フィンダイゼンらが雲と降水形成の微物理学を確立し、この分野を完成させました。
Key figures
- Tor Bergeron
- Walter Findeisen
- Hilding Kohler
Related topics
Seminal works
- wallace2006
- rogers1989
Frequently asked questions
- 上昇する空気が冷えるのはなぜですか？
- 空気が低圧の領域に上昇すると膨張します。膨張は空気の内部エネルギーを犠牲にして仕事をするため、熱が除去されなくても空気は冷却されます。このプロセスを断熱冷却と呼びます。
- 空気が上昇すると雲ができるのはなぜですか？
- 上昇する空気は飽和点に達するまで冷却されます。飽和点とは、それ以上水蒸気を保持できない点です。その後、過剰な水蒸気は微細な粒子に凝結し、雲を構成する水滴や氷晶を形成します。