อุณหพลศาสตร์บรรยากาศและความชื้น
ความร้อนและน้ำคือเชื้อเพลิงของสภาพอากาศ: เมื่ออากาศลอยสูงขึ้นและเย็นลง ไอน้ำจะควบแน่นและปล่อยพลังงานออกมา ซึ่งเป็นพลังขับเคลื่อนเมฆ พายุ และฝน ที่อุณหพลศาสตร์ช่วยให้เราเข้าใจและวัดปริมาณได้
Definition
อุณหพลศาสตร์บรรยากาศและความชื้นเป็นสาขาหนึ่งของอุตุนิยมวิทยาที่เกี่ยวข้องกับพลังงานและปริมาณน้ำในอากาศ กระบวนการขยายตัว การเย็นตัว การควบแน่น และการระเหยที่ควบคุมสิ่งเหล่านี้ และผลกระทบต่อเสถียรภาพ เมฆ และหยาดน้ำฟ้า
Scope
สาขานี้ครอบคลุมอุณหพลศาสตร์ของอากาศแห้งและอากาศชื้น การประเมินเสถียรภาพของบรรยากาศและการพาความร้อนที่เกิดขึ้น การวัดและพฤติกรรมของความชื้นในบรรยากาศ และกระบวนการทางจุลภาคที่ทำให้เกิดเมฆและหยาดน้ำฟ้า
Sub-topics
Core questions
- กฎของอุณหพลศาสตร์นำมาประยุกต์ใช้กับอากาศที่ลอยขึ้นและจมลงได้อย่างไร?
- อะไรเป็นตัวกำหนดว่าบรรยากาศมีเสถียรภาพหรือมีแนวโน้มที่จะเกิดการพาความร้อน?
- ปริมาณไอน้ำในอากาศวัดและแสดงออกมาได้อย่างไร?
- ละอองเมฆและอนุภาคหยาดน้ำฟ้าก่อตัวและเติบโตได้อย่างไร?
Key theories
- กระบวนการอะเดียแบติกและอัตราการลดลงของอุณหภูมิ
- อากาศที่ลอยสูงขึ้นจะขยายตัวและเย็นลงในอัตราอะเดียแบติกแบบแห้ง (dry adiabatic rate) จนกระทั่งถึงจุดอิ่มตัว หลังจากนั้นการปล่อยความร้อนแฝงจะทำให้อัตราการเย็นตัวช้าลงเป็นอัตราอะเดียแบติกแบบชื้น (moist adiabatic rate) ซึ่งเป็นพื้นฐานสำหรับการประเมินเสถียรภาพและการก่อตัวของเมฆ
- จุลภาคของเมฆ
- ละอองเมฆก่อตัวบนนิวเคลียสละอองลอย (aerosol nuclei) และเติบโตโดยการควบแน่นและการชนกัน และผ่านกระบวนการฝนอุ่นหรือน้ำแข็งจนมีขนาดใหญ่พอที่จะตกลงมาเป็นหยาดน้ำฟ้า
Mechanisms
เมื่อกลุ่มก้อนอากาศลอยสูงขึ้น มันจะขยายตัวและเย็นลงโดยไม่มีการแลกเปลี่ยนความร้อนกับสิ่งแวดล้อม ซึ่งเป็นกระบวนการอะเดียแบติก (adiabatic process); เมื่อมันเย็นลงจนถึงจุดอิ่มตัว ไอน้ำจะควบแน่นและปล่อยความร้อนแฝงออกมา การที่กลุ่มก้อนอากาศจะลอยสูงขึ้นต่อไปหรือไม่นั้นขึ้นอยู่กับการเปรียบเทียบอุณหภูมิของมันกับสิ่งแวดล้อม ซึ่งเป็นตัวกำหนดเสถียรภาพและการพาความร้อน น้ำที่ควบแน่นจะก่อตัวเป็นเมฆ และการเติบโตทางจุลภาคโดยการควบแน่น การชนกัน และกระบวนการน้ำแข็งสามารถสร้างอนุภาคที่หนักพอที่จะตกลงมาเป็นหยาดน้ำฟ้าได้
Clinical relevance
หลักการทางอุณหพลศาสตร์และความชื้นเป็นพื้นฐานของการพยากรณ์เมฆและหยาดน้ำฟ้า ศักยภาพการเกิดพายุฝนฟ้าคะนองผ่านการวัดค่าต่างๆ เช่น พลังงานศักย์การพาความร้อนที่มีอยู่ (convective available potential energy) การเกิดหมอกและน้ำค้างแข็ง และดัชนีความสบาย ทำให้สิ่งเหล่านี้เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการปฏิบัติงานด้านอุตุนิยมวิทยาและการบิน
History
อุณหพลศาสตร์ในศตวรรษที่สิบเก้าถูกนำมาประยุกต์ใช้กับบรรยากาศผ่านงานวิจัยเกี่ยวกับกระบวนการอะเดียแบติกและการพัฒนาเทฟิแกรม (tephigram) และแผนภาพอุณหพลศาสตร์อื่นๆ ในศตวรรษที่ยี่สิบ เบอร์เกอรอน (Bergeron) ฟินเดอเซน (Findeisen) และนักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ ได้สร้างหลักการจุลภาคของการก่อตัวของเมฆและหยาดน้ำฟ้าที่ทำให้สาขานี้สมบูรณ์
Key figures
- Tor Bergeron
- Walter Findeisen
- Hilding Kohler
Related topics
Seminal works
- wallace2006
- rogers1989
Frequently asked questions
- ทำไมอากาศที่ลอยสูงขึ้นจึงเย็นลง?
- เมื่ออากาศลอยสูงขึ้นสู่บริเวณที่มีความกดอากาศต่ำกว่า มันจะขยายตัว และเนื่องจากการขยายตัวเป็นการทำงานโดยใช้พลังงานภายในของอากาศ อากาศจึงเย็นลงแม้ว่าจะไม่มีการนำความร้อนออกไป ซึ่งเป็นกระบวนการที่เรียกว่าการเย็นตัวแบบอะเดียแบติก (adiabatic cooling)
- ทำไมเมฆจึงก่อตัวเมื่ออากาศลอยสูงขึ้น?
- อากาศที่ลอยสูงขึ้นจะเย็นลงจนถึงจุดอิ่มตัว ซึ่งเป็นจุดที่อากาศไม่สามารถกักเก็บไอน้ำได้อีกต่อไป ไอน้ำส่วนเกินจะควบแน่นบนอนุภาคเล็กๆ เพื่อก่อตัวเป็นละอองน้ำหรือผลึกน้ำแข็งที่ประกอบกันเป็นเมฆ