Термодинамика атмосферы

Рассмотрение воздушного пузыря как термодинамической системы объясняет, почему в горах холодно, почему воздух, опускающийся с горного хребта, нагревается, и почему выделение скрытой теплоты может превратить поднимающуюся воздушную массу в мощный шторм.

Definition

Термодинамика атмосферы — это изучение энергетических преобразований воздушных масс, в частности адиабатического расширения и сжатия, которые определяют их температуру, а также обменов скрытой теплотой, сопровождающих изменения фазового состояния воды.

Scope

Эта тема охватывает применение первого закона термодинамики к атмосферным воздушным массам, сухоадиабатические и влажноадиабатические градиенты температуры, сохраняющиеся переменные, такие как потенциальная и эквивалентно-потенциальная температура, а также термодинамические диаграммы, используемые для анализа аэрологических зондирований.

Core questions

• Как первый закон термодинамики описывает поднимающуюся или опускающуюся воздушную массу?
• Что такое сухоадиабатические и влажноадиабатические градиенты температуры и почему они различаются?
• Почему потенциальная и эквивалентно-потенциальная температура являются полезными сохраняющимися величинами?
• Как термодинамические диаграммы представляют состояние и процессы в атмосфере?

Key theories

Адиабатические градиенты температуры

Ненасыщенная воздушная масса охлаждается при подъеме с постоянной сухоадиабатической скоростью, в то время как насыщенная воздушная масса охлаждается медленнее с влажноадиабатической скоростью, потому что конденсация выделяет скрытую теплоту в воздушную массу.

Сохраняющиеся термодинамические переменные

Потенциальная температура сохраняется при сухом адиабатическом движении, а эквивалентно-потенциальная температура — при влажном адиабатическом движении, поэтому эти величины маркируют воздушные массы и раскрывают их происхождение и устойчивость.

Mechanisms

Поскольку воздух является плохим проводником, а воздушные массы движутся быстро, вертикальное движение хорошо аппроксимируется как адиабатическое: поднимающаяся воздушная масса расширяется и охлаждается, опускающаяся — сжимается и нагревается. Первый закон определяет скорость охлаждения, сухоадиабатический градиент температуры, до насыщения, после чего скрытая теплота от конденсации уменьшает его до влажноадиабатического градиента. Потенциальная температура, которая исключает влияние давления, сохраняется при сухом движении, а эквивалентно-потенциальная температура — при влажном движении, предоставляя трассеры, которые считываются непосредственно с термодинамических диаграмм, таких как тефиграмма или skew-T.

Clinical relevance

Термодинамика атмосферы лежит в основе интерпретации аэрологических зондирований для оценки устойчивости и прогнозирования конвекции, предсказания фена и чинука (потепления на подветренных склонах гор), а также расчета высоты облаков и конвективной энергии, ежедневно используемых в оперативном прогнозировании.

History

Применение классической термодинамики к атмосфере развивалось в конце XIX — начале XX веков, опираясь на работы Гельмгольца и других, и включало введение потенциальной температуры и разработку термодинамических диаграмм, таких как тефиграмма Нэпьера Шоу и более поздняя диаграмма skew-T log-p, которые остаются стандартными инструментами для анализа вертикальной структуры атмосферы.

Key figures

• William Napier Shaw
• Hermann von Helmholtz
• Vilhelm Bjerknes

Seminal works

• bohren1998
• iribarne1981

Frequently asked questions

Почему воздух охлаждается быстрее, когда он сухой, чем когда он образует облака?

Сухой воздух охлаждается с сухоадиабатическим градиентом температуры при подъеме, но как только воздушная масса насыщается и образуются облака, конденсация выделяет скрытую теплоту, которая частично компенсирует охлаждение, поэтому воздушная масса охлаждается медленнее с влажноадиабатическим градиентом.

Что такое потенциальная температура?

Потенциальная температура — это температура, которую имела бы воздушная масса, если бы ее адиабатически привели к стандартному давлению; поскольку она остается постоянной при сухом вертикальном движении, это удобная метка, которая идентифицирует и отслеживает воздушные массы.