Termodinâmica Atmosférica

Tratar uma bolha de ar como um sistema termodinâmico explica por que as montanhas são frias, por que o ar que desce de uma cordilheira aquece e por que a liberação de calor latente pode transformar uma parcela ascendente em uma tempestade imponente.

Definition

Termodinâmica atmosférica é o estudo das transformações de energia de parcelas de ar, particularmente a expansão e compressão adiabática que governam sua temperatura e as trocas de calor latente que acompanham as mudanças de fase da água.

Scope

Este tópico abrange a aplicação da primeira lei da termodinâmica a parcelas de ar atmosférico, as taxas de lapso adiabático seco e úmido, variáveis conservadas como temperatura potencial e potencial equivalente, e os diagramas termodinâmicos usados para analisar sondagens.

Core questions

• Como a primeira lei da termodinâmica descreve uma parcela de ar ascendente ou descendente?
• Quais são as taxas de lapso adiabático seco e úmido e por que elas diferem?
• Por que a temperatura potencial e a temperatura potencial equivalente são quantidades conservadas úteis?
• Como os diagramas termodinâmicos representam o estado e os processos da atmosfera?

Key theories

Taxas de lapso adiabático

Uma parcela não saturada esfria na ascensão a uma taxa adiabática seca constante, enquanto uma parcela saturada esfria mais lentamente a uma taxa adiabática úmida porque a condensação libera calor latente na parcela.

Variáveis termodinâmicas conservadas

A temperatura potencial é conservada no movimento adiabático seco e a temperatura potencial equivalente no movimento adiabático úmido, de modo que essas quantidades rotulam as parcelas de ar e revelam suas origens e estabilidade.

Mechanisms

Como o ar é um mau condutor e as parcelas se movem rapidamente, o movimento vertical é bem aproximado como adiabático: uma parcela ascendente se expande e esfria, uma descendente se comprime e aquece. A primeira lei estabelece a taxa de resfriamento, a taxa de lapso adiabático seco, até a saturação, após a qual o calor latente da condensação a reduz para a taxa adiabática úmida. A temperatura potencial, que remove o efeito da pressão, é conservada no movimento seco, e a temperatura potencial equivalente no movimento úmido, fornecendo traçadores que são lidos diretamente de diagramas termodinâmicos como o tefigrama ou o skew-T.

Clinical relevance

A termodinâmica atmosférica fundamenta a interpretação de sondagens para avaliar a estabilidade e prever a convecção, a previsão do aquecimento foehn e chinook a sotavento das montanhas, e o cálculo das bases das nuvens e da energia convectiva usados diariamente na previsão operacional.

History

A aplicação da termodinâmica clássica à atmosfera desenvolveu-se no final do século XIX e início do século XX, baseando-se no trabalho de Helmholtz e outros, e incluiu a introdução da temperatura potencial e o projeto de diagramas termodinâmicos como o tefigrama de Napier Shaw e o posterior diagrama skew-T log-p, que permanecem ferramentas padrão para analisar a estrutura vertical da atmosfera.

Key figures

• William Napier Shaw
• Hermann von Helmholtz
• Vilhelm Bjerknes

Seminal works

• bohren1998
• iribarne1981

Frequently asked questions

Por que o ar esfria mais rápido quando está seco do que quando está formando nuvens?

O ar seco esfria à taxa de lapso adiabático seco à medida que sobe, mas uma vez que uma parcela satura e as nuvens se formam, a condensação libera calor latente que compensa parcialmente o resfriamento, de modo que a parcela esfria mais lentamente à taxa adiabática úmida.

O que é temperatura potencial?

A temperatura potencial é a temperatura que uma parcela de ar teria se fosse levada adiabaticamente a uma pressão padrão; como ela permanece constante durante o movimento vertical seco, é um rótulo conveniente que identifica e rastreia parcelas de ar.