Термодинамика атмосферы и влажность
Тепло и вода являются движущей силой погоды: по мере подъема и охлаждения воздуха водяной пар конденсируется и выделяет энергию, питая облака, штормы и дожди, которые термодинамика позволяет нам понять и количественно оценить.
Definition
Термодинамика атмосферы и влажность — это раздел метеорологии, изучающий содержание энергии и воды в воздухе, процессы расширения, охлаждения, конденсации и испарения, которые управляют им, и их последствия для устойчивости, облаков и осадков.
Scope
Эта область охватывает термодинамику сухого и влажного воздуха, оценку устойчивости атмосферы и конвекции, которую она допускает, измерение и поведение атмосферной влажности, а также микрофизические процессы, посредством которых образуются облака и осадки.
Sub-topics
Core questions
- Как законы термодинамики применяются к поднимающемуся и опускающемуся воздуху?
- Что определяет, является ли атмосфера стабильной или склонной к конвекции?
- Как измеряется и выражается содержание водяного пара в воздухе?
- Как образуются и растут облачные капли и частицы осадков?
Key theories
- Адиабатические процессы и градиенты температуры
- Поднимающийся воздух расширяется и охлаждается с сухим адиабатическим градиентом до насыщения, после чего выделение скрытой теплоты замедляет охлаждение до влажного адиабатического градиента, что является основой для оценки устойчивости и развития облаков.
- Микрофизика облаков
- Облачные капли образуются на аэрозольных ядрах и растут за счет конденсации и столкновения, а также посредством процессов теплого дождя или льда становятся достаточно большими, чтобы выпадать в виде осадков.
Mechanisms
Когда объем воздуха поднимается, он расширяется и охлаждается без обмена теплом с окружающей средой, что является адиабатическим процессом; как только он охлаждается до насыщения, водяной пар конденсируется и выделяет скрытую теплоту. Продолжит ли объем воздуха подниматься, зависит от того, как его температура соотносится с окружающей средой, что определяет устойчивость и конвекцию. Конденсированная вода образует облака, а микрофизический рост за счет конденсации, столкновения и ледяных процессов может производить частицы, достаточно тяжелые, чтобы выпадать в виде осадков.
Clinical relevance
Принципы термодинамики и влажности лежат в основе прогнозов облачности и осадков, потенциала гроз с помощью таких показателей, как конвективная доступная потенциальная энергия, тумана и заморозков, а также индексов комфорта, что делает их незаменимыми для оперативной метеорологии и авиации.
History
Термодинамика XIX века была применена к атмосфере благодаря работам по адиабатическим процессам и разработке тефиграммы и других термодинамических диаграмм; в XX веке Бержерон, Финдейзен и другие установили микрофизику образования облаков и осадков, которая завершает эту область.
Key figures
- Tor Bergeron
- Walter Findeisen
- Hilding Kohler
Related topics
Seminal works
- wallace2006
- rogers1989
Frequently asked questions
- Почему поднимающийся воздух охлаждается?
- Когда воздух поднимается в область более низкого давления, он расширяется, и поскольку расширение совершает работу за счет внутренней энергии воздуха, воздух охлаждается, хотя тепло не отводится, этот процесс называется адиабатическим охлаждением.
- Почему облака образуются при подъеме воздуха?
- Поднимающийся воздух охлаждается до тех пор, пока не достигнет насыщения, точки, в которой он не может удерживать больше водяного пара; избыток пара затем конденсируется на мельчайших частицах, образуя капли или ледяные кристаллы, из которых состоит облако.