Nhiệt động lực học và độ ẩm khí quyển
Nhiệt và nước là nguồn nhiên liệu của thời tiết: khi không khí bốc lên và nguội đi, hơi nước ngưng tụ và giải phóng năng lượng, tạo ra mây, bão và mưa mà nhiệt động lực học cho phép chúng ta hiểu và định lượng.
Definition
Nhiệt động lực học và độ ẩm khí quyển là một nhánh của khí tượng học liên quan đến năng lượng và hàm lượng nước trong không khí, các quá trình giãn nở, làm mát, ngưng tụ và bay hơi chi phối nó, và những hệ quả của chúng đối với sự ổn định, mây và mưa.
Scope
Lĩnh vực này bao gồm nhiệt động lực học của không khí khô và ẩm, đánh giá sự ổn định khí quyển và đối lưu mà nó cho phép, đo lường và hành vi của độ ẩm khí quyển, và các quá trình vi vật lý mà qua đó mây và mưa hình thành.
Sub-topics
Core questions
- Các định luật nhiệt động lực học được áp dụng như thế nào cho không khí bốc lên và chìm xuống?
- Điều gì quyết định liệu khí quyển ổn định hay dễ xảy ra đối lưu?
- Hàm lượng hơi nước trong không khí được đo và biểu thị như thế nào?
- Các giọt mây và hạt mưa hình thành và phát triển như thế nào?
Key theories
- Các quá trình đoạn nhiệt và suất giảm nhiệt
- Không khí bốc lên giãn nở và nguội đi theo suất giảm nhiệt đoạn nhiệt khô cho đến khi bão hòa, sau đó sự giải phóng nhiệt ẩn làm chậm quá trình làm mát xuống suất giảm nhiệt đoạn nhiệt ẩm, đây là cơ sở để đánh giá sự ổn định và phát triển của mây.
- Vi vật lý đám mây
- Các giọt mây hình thành trên các hạt sol khí và phát triển bằng cách ngưng tụ và va chạm, và thông qua các quá trình mưa ấm hoặc băng trở nên đủ lớn để rơi xuống dưới dạng mưa.
Mechanisms
Khi một khối không khí bốc lên, nó giãn nở và nguội đi mà không trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh, đây là một quá trình đoạn nhiệt; một khi nó nguội đến điểm bão hòa, hơi nước ngưng tụ và giải phóng nhiệt ẩn. Việc khối không khí có tiếp tục bốc lên hay không phụ thuộc vào nhiệt độ của nó so với môi trường, điều này xác định sự ổn định và đối lưu. Nước ngưng tụ tạo thành mây, và sự phát triển vi vật lý thông qua ngưng tụ, va chạm và các quá trình băng có thể tạo ra các hạt đủ nặng để rơi xuống dưới dạng mưa.
Clinical relevance
Các nguyên tắc nhiệt động lực học và độ ẩm là cơ sở cho các dự báo về mây và mưa, về tiềm năng bão thông qua các thước đo như năng lượng tiềm năng đối lưu có sẵn, về sương mù và sương giá, và về các chỉ số tiện nghi, khiến chúng trở nên không thể thiếu đối với khí tượng học hoạt động và hàng không.
History
Nhiệt động lực học thế kỷ XIX đã được áp dụng vào khí quyển thông qua công trình nghiên cứu về các quá trình đoạn nhiệt và sự phát triển của biểu đồ tephigram và các biểu đồ nhiệt động lực học khác; vào thế kỷ XX, Bergeron, Findeisen và những người khác đã thiết lập vi vật lý của sự hình thành mây và mưa, hoàn thiện lĩnh vực này.
Key figures
- Tor Bergeron
- Walter Findeisen
- Hilding Kohler
Related topics
Seminal works
- wallace2006
- rogers1989
Frequently asked questions
- Tại sao không khí bốc lên lại nguội đi?
- Khi không khí bốc lên vào vùng áp suất thấp hơn, nó giãn nở, và vì sự giãn nở thực hiện công bằng chi phí năng lượng bên trong của không khí, không khí nguội đi mặc dù không có nhiệt nào bị loại bỏ, một quá trình được gọi là làm mát đoạn nhiệt.
- Tại sao mây hình thành khi không khí bốc lên?
- Không khí bốc lên nguội đi cho đến khi đạt đến điểm bão hòa, điểm mà nó không thể chứa thêm hơi nước; hơi nước dư thừa sau đó ngưng tụ trên các hạt nhỏ để tạo thành các giọt hoặc tinh thể băng tạo nên một đám mây.