Nhiệt động lực học khí quyển

Việc coi một bong bóng khí là một hệ nhiệt động lực học giúp giải thích tại sao núi lại lạnh, tại sao không khí chìm xuống từ một dãy núi lại ấm lên, và tại sao sự giải phóng nhiệt tiềm ẩn có thể biến một khối khí đang bốc lên thành một cơn bão lớn.

Definition

Nhiệt động lực học khí quyển là nghiên cứu về sự biến đổi năng lượng của các khối khí, đặc biệt là sự giãn nở và nén đoạn nhiệt chi phối nhiệt độ của chúng và sự trao đổi nhiệt tiềm ẩn đi kèm với sự thay đổi pha của nước.

Scope

Chủ đề này bao gồm việc áp dụng định luật nhiệt động lực học thứ nhất cho các khối khí quyển, tốc độ giảm nhiệt đoạn nhiệt khô và ẩm, các biến được bảo toàn như nhiệt độ thế vị và nhiệt độ thế vị tương đương, và các biểu đồ nhiệt động lực học được sử dụng để phân tích các dữ liệu đo đạc khí quyển.

Core questions

• Định luật nhiệt động lực học thứ nhất mô tả một khối khí đang bốc lên hoặc chìm xuống như thế nào?
• Tốc độ giảm nhiệt đoạn nhiệt khô và ẩm là gì và tại sao chúng lại khác nhau?
• Tại sao nhiệt độ thế vị và nhiệt độ thế vị tương đương lại là những đại lượng bảo toàn hữu ích?
• Các biểu đồ nhiệt động lực học biểu diễn trạng thái và các quá trình của khí quyển như thế nào?

Key theories

Tốc độ giảm nhiệt đoạn nhiệt

Một khối khí chưa bão hòa nguội đi khi bốc lên với tốc độ đoạn nhiệt khô không đổi, trong khi một khối khí bão hòa nguội đi chậm hơn với tốc độ đoạn nhiệt ẩm vì sự ngưng tụ giải phóng nhiệt tiềm ẩn vào khối khí.

Các biến nhiệt động lực học được bảo toàn

Nhiệt độ thế vị được bảo toàn trong chuyển động đoạn nhiệt khô và nhiệt độ thế vị tương đương trong chuyển động đoạn nhiệt ẩm, do đó các đại lượng này giúp xác định các khối khí và tiết lộ nguồn gốc cũng như sự ổn định của chúng.

Mechanisms

Vì không khí là chất dẫn nhiệt kém và các khối khí di chuyển nhanh, chuyển động thẳng đứng được ước tính khá chính xác là đoạn nhiệt: một khối khí đang bốc lên sẽ giãn nở và nguội đi, một khối khí đang chìm xuống sẽ nén lại và ấm lên. Định luật thứ nhất xác định tốc độ nguội đi, tốc độ giảm nhiệt đoạn nhiệt khô, cho đến khi đạt bão hòa, sau đó nhiệt tiềm ẩn từ sự ngưng tụ làm giảm tốc độ này xuống tốc độ đoạn nhiệt ẩm. Nhiệt độ thế vị, loại bỏ ảnh hưởng của áp suất, được bảo toàn trong chuyển động khô, và nhiệt độ thế vị tương đương trong chuyển động ẩm, cung cấp các dấu vết có thể đọc trực tiếp từ các biểu đồ nhiệt động lực học như tephigram hoặc skew-T.

Clinical relevance

Nhiệt động lực học khí quyển là cơ sở để giải thích các dữ liệu đo đạc khí quyển nhằm đánh giá sự ổn định và dự báo đối lưu, dự đoán sự ấm lên của gió foehn và chinook ở sườn núi, và tính toán độ cao chân mây và năng lượng đối lưu được sử dụng hàng ngày trong dự báo hoạt động.

History

Việc áp dụng nhiệt động lực học cổ điển vào khí quyển đã phát triển vào cuối thế kỷ XIX và đầu thế kỷ XX, dựa trên công trình của Helmholtz và những người khác, và bao gồm việc giới thiệu nhiệt độ thế vị và thiết kế các biểu đồ nhiệt động lực học như tephigram của Napier Shaw và biểu đồ skew-T log-p sau này, những công cụ này vẫn là tiêu chuẩn để phân tích cấu trúc thẳng đứng của khí quyển.

Key figures

• William Napier Shaw
• Hermann von Helmholtz
• Vilhelm Bjerknes

Seminal works

• bohren1998
• iribarne1981

Frequently asked questions

Tại sao không khí nguội nhanh hơn khi khô so với khi đang hình thành mây?

Không khí khô nguội theo tốc độ giảm nhiệt đoạn nhiệt khô khi bốc lên, nhưng một khi khối khí bão hòa và mây hình thành, sự ngưng tụ giải phóng nhiệt tiềm ẩn bù đắp một phần sự nguội đi, do đó khối khí nguội chậm hơn theo tốc độ đoạn nhiệt ẩm.

Nhiệt độ thế vị là gì?

Nhiệt độ thế vị là nhiệt độ mà một khối khí sẽ có nếu được đưa đoạn nhiệt đến một áp suất tiêu chuẩn; vì nó giữ không đổi trong chuyển động thẳng đứng khô, nó là một nhãn thuận tiện để xác định và theo dõi các khối khí.