Термодинамика атмосферы

Применение термодинамических законов к воздуху, регулирующих температуру, давление, влажность и энергию вертикальных движений.

Definition

Термодинамика атмосферы — это раздел физики атмосферы, который применяет законы термодинамики к воздуху и водяному пару для описания их состояния, энергии и фазовых превращений.

Scope

Эта область охватывает термодинамическое поведение сухого и влажного воздуха: газовые законы и гидростатическое равновесие, первый закон, примененный к восходящим и нисходящим воздушным массам, адиабатические процессы и градиенты температуры, термодинамика фазовых переходов воды, статическая устойчивость и энергетика конвекции, а также графические термодинамические диаграммы, используемые для анализа атмосферных зондирований.

Sub-topics

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

Core questions

• Как охлаждается поднимающаяся воздушная масса и как влажность изменяет эту скорость?
• Что определяет, сопротивляется ли атмосфера вертикальному движению или способствует ему?
• Как диагностируется энергия, доступная для конвекции, по профилю температуры и влажности?

Key theories

Первый закон, примененный к воздушным массам

Рассмотрение воздушной массы как термодинамической системы связывает изменения ее температуры с работой, совершаемой при расширении, и со скрытой теплотой, выделяющейся при конденсации, что дает сухой и влажный адиабатические градиенты.

Теория устойчивости воздушных масс

Сравнение температуры смещенной воздушной массы с окружающей средой определяет плавучесть и, следовательно, статическую устойчивость, что является основой для диагностики конвекции.

Mechanisms

Воздух в значительной степени подчиняется закону идеального газа, а его вертикальная структура давления следует гидростатическому равновесию. При подъеме воздушная масса расширяется и охлаждается с сухим адиабатическим градиентом около 9,8 градуса Цельсия на километр до насыщения, после чего выделение скрытой теплоты уменьшает охлаждение до влажного адиабатического градиента. Разница между температурой воздушной массы и температурой окружающей среды определяет ее плавучесть, контролируя, будут ли вертикальные смещения затухать или усиливаться.

Clinical relevance

Термодинамические рассуждения лежат в основе прогнозирования гроз и сильной конвекции, построения физических моделей и интерпретации данных радиозондирования.

History

Термодинамика атмосферы сформировалась в конце XIX — начале XX веков, когда Герц, фон Бецольд и Норманд применили классическую термодинамику к влажному воздуху, создав адиабатическую диаграмму и концепцию эквивалентной потенциальной температуры, которые до сих пор являются центральными для анализа конвекции.

Key figures

• Craig Bohren
• Julio Iribarne

Seminal works

• bohren1998
• iribarne1981

Frequently asked questions

Почему поднимающийся воздух охлаждается, даже не теряя тепла в окружающую среду?

Поднимающаяся воздушная масса расширяется против более низкого окружающего давления, совершая работу и преобразуя внутреннюю энергию в работу, поэтому ее температура адиабатически падает даже без теплообмена.