อุณหพลศาสตร์บรรยากาศ

การพิจารณาฟองอากาศเป็นระบบอุณหพลศาสตร์ช่วยอธิบายว่าเหตุใดภูเขาจึงหนาวเย็น เหตุใดอากาศที่ไหลลงมาจากเทือกเขาจึงอุ่นขึ้น และเหตุใดการปลดปล่อยความร้อนแฝงจึงสามารถเปลี่ยนก้อนอากาศที่ลอยขึ้นให้กลายเป็นพายุขนาดใหญ่ได้

Definition

อุณหพลศาสตร์บรรยากาศคือการศึกษาการเปลี่ยนแปลงพลังงานของก้อนอากาศ โดยเฉพาะอย่างยิ่งการขยายตัวและการอัดตัวแบบอะเดียแบติกที่ควบคุมอุณหภูมิของก้อนอากาศ และการแลกเปลี่ยนความร้อนแฝงที่มาพร้อมกับการเปลี่ยนแปลงสถานะของน้ำ

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมการประยุกต์ใช้กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์กับก้อนอากาศในบรรยากาศ อัตราการลดลงของอุณหภูมิแบบอะเดียแบติกแบบแห้งและแบบชื้น ตัวแปรที่คงที่ เช่น อุณหภูมิศักย์และอุณหภูมิศักย์สมมูล และแผนภาพอุณหพลศาสตร์ที่ใช้ในการวิเคราะห์การหยั่งอากาศ

Core questions

• กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์อธิบายก้อนอากาศที่ลอยขึ้นหรือจมลงได้อย่างไร?
• อัตราการลดลงของอุณหภูมิแบบอะเดียแบติกแบบแห้งและแบบชื้นคืออะไร และเหตุใดจึงแตกต่างกัน?
• เหตุใดอุณหภูมิศักย์และอุณหภูมิศักย์สมมูลจึงเป็นปริมาณที่คงที่ที่มีประโยชน์?
• แผนภาพอุณหพลศาสตร์แสดงสถานะและกระบวนการของบรรยากาศได้อย่างไร?

Key theories

อัตราการลดลงของอุณหภูมิแบบอะเดียแบติก

ก้อนอากาศที่ไม่อิ่มตัวจะเย็นลงเมื่อลอยขึ้นด้วยอัตราอะเดียแบติกแบบแห้งที่คงที่ ในขณะที่ก้อนอากาศที่อิ่มตัวจะเย็นลงช้ากว่าด้วยอัตราอะเดียแบติกแบบชื้น เนื่องจากกระบวนการควบแน่นจะปล่อยความร้อนแฝงเข้าสู่ก้อนอากาศ

ตัวแปรทางอุณหพลศาสตร์ที่คงที่

อุณหภูมิศักย์จะคงที่ในการเคลื่อนที่แบบอะเดียแบติกแบบแห้ง และอุณหภูมิศักย์สมมูลจะคงที่ในการเคลื่อนที่แบบอะเดียแบติกแบบชื้น ดังนั้นปริมาณเหล่านี้จึงใช้ระบุก้อนอากาศและเผยให้เห็นแหล่งกำเนิดและความเสถียรของก้อนอากาศ

Mechanisms

เนื่องจากอากาศเป็นตัวนำความร้อนที่ไม่ดีและก้อนอากาศเคลื่อนที่อย่างรวดเร็ว การเคลื่อนที่ในแนวดิ่งจึงประมาณได้ดีว่าเป็นแบบอะเดียแบติก: ก้อนอากาศที่ลอยขึ้นจะขยายตัวและเย็นลง ส่วนก้อนอากาศที่จมลงจะถูกอัดตัวและอุ่นขึ้น กฎข้อที่หนึ่งกำหนดอัตราการเย็นตัว ซึ่งคืออัตราการลดลงของอุณหภูมิแบบอะเดียแบติกแบบแห้ง จนกระทั่งถึงจุดอิ่มตัว หลังจากนั้นความร้อนแฝงจากการควบแน่นจะลดอัตราการเย็นตัวลงเป็นอัตราแบบอะเดียแบติกแบบชื้น อุณหภูมิศักย์ ซึ่งขจัดผลกระทบของความดัน จะคงที่ในการเคลื่อนที่แบบแห้ง และอุณหภูมิศักย์สมมูลจะคงที่ในการเคลื่อนที่แบบชื้น ซึ่งเป็นตัวติดตามที่อ่านได้โดยตรงจากแผนภาพอุณหพลศาสตร์ เช่น tephigram หรือ skew-T

Clinical relevance

อุณหพลศาสตร์บรรยากาศเป็นพื้นฐานของการตีความการหยั่งอากาศเพื่อประเมินเสถียรภาพและพยากรณ์การพาความร้อน การพยากรณ์การอุ่นขึ้นของลมโฟนและลมชินุกที่พัดลงมาจากภูเขา และการคำนวณฐานเมฆและพลังงานการพาความร้อนที่ใช้ในการพยากรณ์อากาศประจำวัน

History

การประยุกต์ใช้อุณหพลศาสตร์คลาสสิกกับบรรยากาศพัฒนาขึ้นในช่วงปลายศตวรรษที่สิบเก้าและต้นศตวรรษที่ยี่สิบ โดยอาศัยผลงานของเฮล์มโฮลทซ์และคนอื่นๆ และรวมถึงการแนะนำอุณหภูมิศักย์และการออกแบบแผนภาพอุณหพลศาสตร์ เช่น tephigram โดย Napier Shaw และแผนภาพ skew-T log-p ในภายหลัง ซึ่งยังคงเป็นเครื่องมือมาตรฐานสำหรับการวิเคราะห์โครงสร้างแนวดิ่งของบรรยากาศ

Key figures

• William Napier Shaw
• Hermann von Helmholtz
• Vilhelm Bjerknes

Seminal works

• bohren1998
• iribarne1981

Frequently asked questions

เหตุใดอากาศจึงเย็นลงเร็วกว่าเมื่อแห้งกว่าเมื่อกำลังก่อตัวเป็นเมฆ?

อากาศแห้งจะเย็นลงด้วยอัตราการลดลงของอุณหภูมิแบบอะเดียแบติกแบบแห้งเมื่อลอยขึ้น แต่เมื่อก้อนอากาศอิ่มตัวและเกิดเมฆขึ้น การควบแน่นจะปล่อยความร้อนแฝงออกมาซึ่งช่วยชดเชยการเย็นตัวบางส่วน ทำให้ก้อนอากาศเย็นลงช้ากว่าด้วยอัตราอะเดียแบติกแบบชื้น

อุณหภูมิศักย์คืออะไร?

อุณหภูมิศักย์คืออุณหภูมิที่ก้อนอากาศจะมีหากถูกนำมายังความดันมาตรฐานแบบอะเดียแบติก เนื่องจากอุณหภูมิศักย์คงที่ในระหว่างการเคลื่อนที่ในแนวดิ่งแบบแห้ง จึงเป็นป้ายกำกับที่สะดวกในการระบุและติดตามก้อนอากาศ