พลศาสตร์บรรยากาศ
พลศาสตร์บรรยากาศประยุกต์ใช้กฎการเคลื่อนที่ของไหลกับชั้นบรรยากาศที่บางและหมุนได้ เพื่ออธิบายว่าเหตุใดลมจึงเบี่ยงเบน ระบบความกดอากาศจึงเคลื่อนที่ และการหมุนเวียนของโลกจัดระเบียบสภาพอากาศและภูมิอากาศได้อย่างไร
Definition
พลศาสตร์บรรยากาศเป็นสาขาหนึ่งของอุตุนิยมวิทยาที่ใช้สมการกลศาสตร์ของไหลและอุณหพลศาสตร์ ซึ่งประยุกต์ใช้กับดาวเคราะห์ที่หมุน เพื่ออธิบายและทำนายการเคลื่อนที่ของบรรยากาศ
Scope
สาขาวิชานี้ครอบคลุมสมการควบคุมการเคลื่อนที่ของบรรยากาศในกรอบอ้างอิงแบบหมุน การไหลที่สมดุลซึ่งครอบงำในระดับใหญ่ สเปกตรัมของคลื่นบรรยากาศ ความไม่เสถียรที่ก่อให้เกิดระบบสภาพอากาศ และโครงสร้างและการดำรงอยู่ของการหมุนเวียนทั่วไปของโลก
Sub-topics
Core questions
- สมการใดที่ควบคุมการเคลื่อนที่ของอากาศบนโลกที่หมุน?
- เหตุใดลมขนาดใหญ่จึงพัดเกือบขนานกับเส้นความกดอากาศเท่า?
- คลื่นและความไม่เสถียรใดที่จัดระเบียบชั้นบรรยากาศให้เป็นระบบสภาพอากาศ?
- รูปแบบลมและความกดอากาศทั่วโลกได้รับการรักษาไว้อย่างไร?
Key theories
- การไหลแบบจีโอสทรอฟิกและสมดุล
- สำหรับการเคลื่อนที่ขนาดใหญ่ที่เปลี่ยนแปลงอย่างช้าๆ แรงโคริออลิสเกือบจะสมดุลกับแรงไล่ระดับความกดอากาศ ดังนั้นลมจึงพัดไปตามเส้นไอโซบาร์ การเบี่ยงเบนจากสมดุลนี้เป็นตัวขับเคลื่อนการเคลื่อนที่ในแนวดิ่งและการเปลี่ยนแปลงของระบบสภาพอากาศ
- ความไม่เสถียรแบบบารอคลินิก
- การไล่ระดับอุณหภูมิในแนวนอนจะเก็บพลังงานศักย์ที่พร้อมใช้งาน ซึ่งถูกปล่อยออกมาโดยคลื่นที่กำลังเติบโต ทำให้เกิดต้นกำเนิดทางพลศาสตร์ของพายุไซโคลนในละติจูดกลางและกระแสหมุนวนที่ครอบงำสภาพอากาศในเขตนอกเขตร้อน
Mechanisms
เริ่มต้นจากกฎของนิวตันและการอนุรักษ์มวลและพลังงานที่เขียนในกรอบอ้างอิงแบบหมุน สมการดั้งเดิม (primitive equations) อธิบายว่าการไล่ระดับความกดอากาศ ผลกระทบของโคริออลิส แรงโน้มถ่วง และแรงเสียดทาน ทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของอากาศได้อย่างไร ในระดับใหญ่ การไหลจะคงอยู่ใกล้สมดุลแบบจีโอสทรอฟิก (geostrophic) และไฮโดรสแตติก (hydrostatic) ในขณะที่ความไม่สมดุลเล็กน้อย ซึ่งแสดงออกผ่านศักย์การหมุนวน (potential vorticity) และทฤษฎีควอซิ-จีโอสทรอฟิก (quasi-geostrophic theory) เป็นตัวขับเคลื่อนการเติบโตของคลื่นและการหมุนเวียนในแนวดิ่งที่ก่อให้เกิดสภาพอากาศ
Clinical relevance
สมการพลศาสตร์ในสาขานี้เป็นรากฐานของแบบจำลองสภาพอากาศและภูมิอากาศเชิงตัวเลขทุกแบบ การทำความเข้าใจการไหลที่สมดุล คลื่น และความไม่เสถียร เป็นสิ่งที่ช่วยให้นักพยากรณ์และนักวิทยาศาสตร์ภูมิอากาศสามารถคาดการณ์การก่อตัวและการเคลื่อนที่ของพายุ และการตอบสนองของการหมุนเวียนต่อดาวเคราะห์ที่ร้อนขึ้นได้
History
จากพื้นฐานกลศาสตร์ของไหลในศตวรรษที่ 19 และการวิเคราะห์โคริออลิสของการไหลแบบหมุน วิลเฮล์ม บเยิร์กเนส (Vilhelm Bjerknes) ได้กำหนดการพยากรณ์อากาศเป็นปัญหาค่าเริ่มต้น (initial-value problem) ในช่วงต้นทศวรรษ 1900 รอสบี (Rossby) ได้ระบุคลื่นขนาดใหญ่ที่ตั้งชื่อตามเขา และทฤษฎีความไม่เสถียรแบบบารอคลินิก (baroclinic instability) และพลศาสตร์ควอซิ-จีโอสทรอฟิกของชาร์นีย์ (Charney) ในช่วงกลางศตวรรษ ได้เปลี่ยนพลศาสตร์บรรยากาศให้เป็นพื้นฐานเชิงปริมาณของการพยากรณ์สมัยใหม่
Key figures
- Vilhelm Bjerknes
- Carl-Gustaf Rossby
- Jule Charney
- Edward Lorenz
Related topics
Seminal works
- holton2013
- vallis2017
Frequently asked questions
- เหตุใดลมจึงพัดไปตามแนวเส้นความกดอากาศเท่า แทนที่จะพัดข้ามแนวเส้น?
- ในระดับใหญ่ แรงไล่ระดับความกดอากาศที่ผลักอากาศจากความกดอากาศสูงไปยังความกดอากาศต่ำเกือบจะสมดุลกับแรงโคริออลิสจากการหมุนของโลก ดังนั้นอากาศจึงไหลขนานกับเส้นไอโซบาร์ในสิ่งที่เรียกว่าสมดุลแบบจีโอสทรอฟิก
- ความแตกต่างระหว่างอุตุนิยมวิทยาพลวัตและอุตุนิยมวิทยาซินอปติกคืออะไร?
- อุตุนิยมวิทยาพลวัตพัฒนาทฤษฎีทางฟิสิกส์และคณิตศาสตร์พื้นฐานของการเคลื่อนที่ของบรรยากาศ ในขณะที่อุตุนิยมวิทยาซินอปติกประยุกต์ใช้หลักการเหล่านั้นเพื่อวิเคราะห์และพยากรณ์ระบบสภาพอากาศจริงจากการสังเกตการณ์