大気熱力学

空気の塊を熱力学系として扱うことで、山が寒い理由、山脈から下降する空気が暖まる理由、そして潜熱の放出が上昇する空気の塊をそびえ立つ嵐に変える理由が説明されます。

Definition

大気熱力学とは、空気塊のエネルギー変換、特にその温度を支配する断熱膨張と断熱圧縮、および水の相変化に伴う潜熱交換の研究です。

Scope

このトピックでは、熱力学第一法則を大気の空気塊に適用すること、乾燥断熱減率と湿潤断熱減率、温位や相当温位などの保存量、および高層気象観測データを分析するために使用される熱力学図について扱います。

Core questions

• 熱力学第一法則は、上昇または下降する空気塊をどのように記述しますか？
• 乾燥断熱減率と湿潤断熱減率とは何ですか、またそれらはなぜ異なりますか？
• 温位と相当温位は、なぜ有用な保存量なのですか？
• 熱力学図は、大気の状態とプロセスをどのように表現しますか？

Key theories

断熱減率

不飽和の空気塊は上昇時に一定の乾燥断熱減率で冷却しますが、飽和した空気塊は凝結によって潜熱が空気塊内に放出されるため、湿潤断熱減率でよりゆっくりと冷却します。

保存される熱力学変数

温位は乾燥断熱運動で保存され、相当温位は湿潤断熱運動で保存されるため、これらの量は空気塊を識別し、その起源と安定性を明らかにします。

Mechanisms

空気は熱伝導率が低く、空気塊は素早く移動するため、鉛直運動は断熱過程としてよく近似されます。すなわち、上昇する空気塊は膨張して冷却し、下降する空気塊は圧縮されて暖まります。熱力学第一法則は、飽和するまでの冷却率である乾燥断熱減率を決定し、飽和後は凝結による潜熱によって冷却率が湿潤断熱減率に減少します。圧力の影響を取り除いた温位は乾燥運動で保存され、相当温位は湿潤運動で保存されるため、これらはテフィグラムやSkew-Tなどの熱力学図から直接読み取ることができるトレーサーとなります。

Clinical relevance

大気熱力学は、安定性を評価し対流を予測するための高層気象観測データの解釈、山岳の風下側でのフェーン現象やチヌーク現象による温暖化の予測、および日常の運用予測で使用される雲底と対流エネルギーの計算の基礎となります。

History

古典熱力学の大気への応用は、ヘルムホルツらの研究に基づいて19世紀後半から20世紀初頭にかけて発展しました。これには、温位の導入や、ネイピア・ショーによるテフィグラム、後のSkew-T log-p図などの熱力学図の考案が含まれ、これらは大気の鉛直構造を分析するための標準的なツールとして現在も使われています。

Key figures

• William Napier Shaw
• Hermann von Helmholtz
• Vilhelm Bjerknes

Seminal works

• bohren1998
• iribarne1981

Frequently asked questions

なぜ空気は、雲を形成しているときよりも乾燥しているときの方が速く冷えるのですか？

乾燥した空気は上昇する際に乾燥断熱減率で冷却しますが、空気塊が飽和して雲が形成されると、凝結によって潜熱が放出され、冷却を部分的に相殺するため、空気塊は湿潤断熱減率でよりゆっくりと冷却します。

温位とは何ですか？

温位とは、空気塊が断熱的に標準気圧に持ち込まれた場合に持つであろう温度です。乾燥した鉛直運動中に一定に保たれるため、空気塊を識別し追跡するための便利な指標となります。