大气热力学

将热力学定律应用于空气，控制温度、压力、湿度和垂直运动的能量。

Definition

大气热力学是大气物理学的一个分支，它将热力学定律应用于空气和水蒸气，以描述它们的状态、能量和相变。

Scope

该领域涵盖干空气和湿空气的热力学行为：气体定律和静力平衡，应用于上升和下降气团的第一定律，绝热过程和递减率，水相变的热力学，静力稳定性和对流能量学，以及用于分析大气探测的图形热力学图表。

Sub-topics

• 大气稳定度和对流
• 干绝热和湿绝热过程
• 热力学图解
• 水蒸气与湿度

Core questions

• 上升气团如何冷却，水分如何改变这种冷却速率？
• 什么决定了大气是抵抗还是有利于垂直运动？
• 如何从温度和湿度廓线中诊断出可用于对流的能量？

Key theories

第一定律应用于气团

将气团视为热力学系统，将其温度变化与膨胀过程中所做的功以及凝结释放的潜热联系起来，从而得出干绝热和湿绝热递减率。

稳定性的气团理论

比较位移气团的温度与其环境温度，以确定浮力，从而确定静力稳定性，这是诊断对流的基础。

Mechanisms

空气在很大程度上遵循理想气体定律，其垂直压力结构遵循静力平衡。当气团上升时，它会膨胀并以约9.8摄氏度/公里的干绝热速率冷却，直到饱和，此后潜热释放将冷却速率降低到湿绝热速率。气团温度与其周围环境温度之间的差异决定了其浮力，从而控制了垂直位移是被抑制还是被放大。

Clinical relevance

热力学原理是雷暴和强对流预报、模型物理构建以及无线电探空仪探测解释的基础。

History

大气热力学在19世纪末和20世纪初成熟，当时赫兹（Hertz）、冯·贝佐尔德（von Bezold）和诺曼德（Normand）将经典热力学应用于湿空气，产生了绝热图和等效位温的概念，这些概念至今仍是对流分析的核心。

Key figures

• Craig Bohren
• Julio Iribarne

Seminal works

• bohren1998
• iribarne1981

Frequently asked questions

为什么上升的空气即使不向周围环境散失热量也会冷却？

上升的气团在较低的周围压力下膨胀，做功并将内能转化为功，因此即使没有热交换，其温度也会绝热下降。