Termodynamika atmosfery - Atmospheric thermodynamics

Termodynamika atmosfery to nauka o przemianach ciepła do pracy (i ich odwróceniu), które zachodzą w atmosferze ziemskiej i manifestują się jako pogoda lub klimat. Termodynamika atmosfery wykorzystuje prawa termodynamiki klasycznej , aby opisać i wyjaśnić takie zjawiska, jak właściwości wilgotnego powietrza, powstawanie chmur, konwekcja atmosferyczna, meteorologia warstwy granicznej i niestabilności pionowe w atmosferze. Diagramy termodynamiczne atmosfery są wykorzystywane jako narzędzia w prognozowaniu rozwoju burz. Termodynamika atmosferyczna stanowi podstawę mikrofizyki chmur i parametryzacji konwekcji stosowanych w numerycznych modelach pogodowych i jest wykorzystywana w wielu rozważaniach klimatycznych, w tym modelach klimatu równowagi konwekcyjnej.

Przegląd

Atmosfera jest przykładem układu nierównowagowego. Termodynamika atmosfery opisuje działanie sił wyporu, które powodują unoszenie się mniej gęstego (cieplejszego) powietrza, opadanie gęstszego powietrza oraz przemianę wody z cieczy w parę (parowanie) i jej kondensację. Dynamika ta jest modyfikowana siłą gradientu ciśnienia, a ruch ten jest modyfikowany siłą Coriolisa . Stosowane narzędzia obejmują prawo zachowania energii, prawo gazu doskonałego , ciepło właściwe, założenie procesów izentropowych (w których entropia jest stałą) oraz wilgotnych procesów adiabatycznych (w których energia nie jest przekazywana w postaci ciepła). Większość gazów troposferycznych traktowana jest jako gazy doskonałe, a para wodna , ze swoją zdolnością do zmiany fazy z pary, w ciekłą, w stałą iz powrotem jest uważana za jeden z najważniejszych śladowych składników powietrza.

Zaawansowane zagadnienia to przemiany fazowe wody, zarodkowanie homogeniczne i niejednorodne, wpływ rozpuszczonych substancji na kondensację chmur, rola przesycenia w tworzeniu kryształków lodu i kropel chmur. Rozważania nad teoriami wilgotnego powietrza i chmur zwykle obejmują różne temperatury, takie jak równoważna temperatura potencjalna, temperatura termometru mokrego i temperatury wirtualne. Połączone obszary to wymiana energii, pędu i masy , oddziaływanie turbulencji między cząsteczkami powietrza w chmurach, konwekcja, dynamika cyklonów tropikalnych oraz wielkoskalowa dynamika atmosfery.

Główna rola termodynamiki atmosferycznej jest wyrażona w postaci sił adiabatycznych i diabatycznych działających na działki lotnicze zawarte w prymitywnych równaniach ruchu powietrza, zarówno w postaci rozdzielczości siatki, jak i parametryzacji podsieci. Równania te stanowią podstawę numerycznych prognoz pogody i klimatu.

Historia

Na początku XIX wieku termodynamicy, tacy jak Sadi Carnot , Rudolf Clausius i Émile Clapeyron, opracowali matematyczne modele dynamiki ciał płynów i par związanych z cyklami spalania i ciśnienia atmosferycznych silników parowych; jednym z przykładów jest równanie Clausiusa-Clapeyrona . W 1873 roku termodynamik Willard Gibbs opublikował „Metody graficzne w termodynamice płynów”.

Wykres termodynamiczny opracowany w XIX wieku jest nadal używany do obliczania wielkości takich jak konwekcyjna dostępna energia potencjalna czy stabilność powietrza.

Tego rodzaju podstawy w naturalny sposób zaczęto stosować przy opracowywaniu teoretycznych modeli termodynamiki atmosfery, które zwróciły uwagę najlepszych umysłów. W latach sześćdziesiątych XIX wieku pojawiły się artykuły na temat termodynamiki atmosfery, które dotyczyły takich tematów, jak suche i wilgotne procesy adiabatyczne . W 1884 roku Heinrich Hertz opracował pierwszy atmosferyczny diagram termodynamiczny ( emagram ). Proces pseudoadiabatyczny został ukuty przez von Bezolda, opisując powietrze, które jest unoszone, rozszerza się, ochładza i ostatecznie wytrąca swoją parę wodną; w 1888 opublikował obszerną pracę pt. „O termodynamice atmosfery”.

W 1911 roku von Alfred Wegener opublikował książkę „Thermodynamik der Atmosphäre”, Lipsk, JA Barth. Stąd zakorzenił się rozwój termodynamiki atmosferycznej jako gałęzi nauki. Sam termin „termodynamika atmosferyczna” pochodzi z publikacji Franka W. Verysa z 1919 r.: „Właściwości promieniowania Ziemi z punktu widzenia termodynamiki atmosferycznej” (okazjonalne artykuły naukowe Westwood Astrophysical Observatory). Pod koniec lat siedemdziesiątych zaczęły pojawiać się różne podręczniki na ten temat. Dzisiaj termodynamika atmosfery jest integralną częścią prognozowania pogody.

Chronologia

1751 Charles Le Roy uznał temperaturę punktu rosy za punkt nasycenia powietrza
1782 Jacques Charles wykonał lot balonem z wodorem, mierząc temperaturę i ciśnienie w Paryżu
1784 Zaproponowano koncepcję zmiany temperatury wraz z wysokością
1801-1803 John Dalton opracował swoje prawa ciśnień par
1804 Joseph Louis Gay-Lussac wykonał lot balonem, aby zbadać pogodę
1805 Pierre Simon Laplace opracował swoje prawo zmiany ciśnienia wraz ze wzrostem
1841 James Pollard Espy publikuje artykuł na temat konwekcyjnej teorii energii cyklonu
1856 William Ferrel przedstawia dynamikę powodującą zachodnie zachody
1889 Hermann von Helmholtz i John William von Bezold użyli koncepcji temperatury potencjalnej, von Bezold użył współczynnika adiabatycznego upływu czasu i pseudoadiabaty
1893 Richard Asman konstruuje pierwszą sondę aerologiczną (ciśnienie-temperatura-wilgotność)
1894 John Wilhelm von Bezold użył koncepcji temperatury równoważnej
1926 Sir Napier Shaw wprowadził tefigram
1933 Tor Bergeron opublikował artykuł „Physics of Clouds and Precipitation” opisujący wytrącanie z przechłodzenia (z powodu kondensacyjnego wzrostu kryształków lodu w obecności kropel wody)
1946 Vincent J. Schaeffer i Irving Langmuir przeprowadzili pierwszy eksperyment z zasiewaniem chmur
1986 K. Emanuel przedstawia cyklon tropikalny jako silnik cieplny Carnota

Aplikacje

Cyrkulacja Hadleya

Cyrkulację Hadleya można uznać za silnik cieplny. Cyrkulacja Hadleya jest utożsamiana z wznoszeniem się ciepłego i wilgotnego powietrza w rejonie równikowym, z opadaniem chłodniejszego powietrza w subtropikach odpowiadającym cyrkulacji bezpośredniej sterowanej termicznie, co w konsekwencji prowadzi do produkcji energii kinetycznej netto. Sprawność termodynamiczna systemu Hadley, traktowanego jako silnik cieplny, była stosunkowo stała w okresie 1979~2010 i wynosiła średnio 2,6%. W tym samym okresie moc generowana przez reżim Hadleya rosła w średnim tempie około 0,54 TW rocznie; odzwierciedla to wzrost wkładu energii do systemu zgodnie z obserwowanym trendem temperatur powierzchni morza tropikalnego.

Cyklon tropikalny Cykl Carnota

Powietrze jest nawilżane, gdy przemieszcza się w kierunku systemu konwekcyjnego. Ruch wstępujący w głębokim rdzeniu konwekcyjnym powoduje rozszerzanie się powietrza, chłodzenie i kondensację. Wypływ górnego poziomu widoczny jako chmura kowadła w końcu opada, zachowując masę (rysunek – Robert Simmon).

Zachowanie termodynamiczne huraganu można zamodelować jako silnik cieplny, który działa pomiędzy zbiornikiem ciepła morza o temperaturze około 300K (27 °C) a radiatorem tropopauzy o temperaturze około 200K (-72 °C). C) iw procesie przekształca energię cieplną w energię mechaniczną wiatrów. Paczki powietrza przemieszczające się blisko powierzchni morza pochłaniają ciepło i parę wodną, ogrzane powietrze unosi się, rozszerza i ochładza, powodując kondensację i opady. Wznoszące się powietrze i kondensacja wytwarzają krążące wiatry napędzane siłą Coriolisa , które podnoszą fale i zwiększają ilość ciepłego, wilgotnego powietrza napędzającego cyklon. Zarówno malejąca temperatura w górnej troposferze, jak i rosnąca temperatura atmosfery przy powierzchni zwiększają maksymalne wiatry obserwowane podczas huraganów. W odniesieniu do dynamiki huraganów definiuje cykl silnika cieplnego Carnota i przewiduje maksymalną intensywność huraganu.

Para wodna a globalna zmiana klimatu

W Clausiusa-Clapeyron powiązanie przedstawia, w jaki zdolność zatrzymywania wody w atmosferze zwiększa się o około 8% w stopniach Celsjusza zwiększenia temperatury . (Nie zależy to bezpośrednio od innych parametrów, takich jak ciśnienie lub gęstość ). Tę zdolność zatrzymywania wody lub „ równowagową prężność pary ” można przybliżyć za pomocą wzoru Augusta-Roche-Magnusa

{\ Displaystyle e_ {s} (T) = 6,1094 \ exp \ lewo ({\ Frac {17,625 T} {T + 243,04}} \ prawej)}

(gdzie jest równowagową lub nasyconą prężnością pary w hPa , a temperaturą w stopniach Celsjusza). Pokazuje to, że gdy temperatura powietrza wzrasta (np. z powodu gazów cieplarnianych ) wilgotność bezwzględna również powinna wzrastać wykładniczo (przy założeniu stałej wilgotności względnej ). Jednak ten czysto termodynamiczny argument jest przedmiotem poważnej debaty, ponieważ procesy konwekcyjne mogą powodować rozległe wysychanie ze względu na zwiększone obszary osiadania , na efektywność opadów może wpływać intensywność konwekcji, a tworzenie się chmur jest związane z wilgotnością względną. ${\ Displaystyle e_ {s} (T)}$ ${\ Displaystyle T}$

Zobacz też

Tematy specjalne

Lorenz, EN, 1955, Dostępna energia potencjalna i utrzymanie ogólnego obiegu, Tellus, 7, 157-167.
Emanuel, K, 1986, Część I. Teoria interakcji powietrze-morze dla cyklonów tropikalnych, J. Atmos. Nauka. 43, 585, ( cykl energetyczny dojrzałego huraganu został tutaj wyidealizowany jako silnik Carnota, który zamienia energię cieplną wydobytą z oceanu na energię mechaniczną).

Bibliografia

Dalsza lektura

Bohren, CF i B. Albrecht (1998). Termodynamika atmosfery . Oxford University Press. Numer ISBN 978-0-19-509904-1.
Curry, JA i PJ Webster, 1999, Termodynamika atmosfer i oceanów. Academic Press, Londyn, 467 s. (podręcznik dla absolwentów)
Dufour, L. i Van Mieghem, J. – Thermodynamique de l'Atmosphère, Institut Royal Meteorologique de Belgique, 1975. 278 s. (podejście teoretyczne). Pierwsze wydanie tej książki – 1947.
Emanuel, KA (1994): Konwekcja atmosferyczna, Oxford University Press . ISBN 0-19-506630-8 (termodynamika cyklonów tropikalnych).
Iribarne, JV i Godson, WL, Termodynamika atmosfery, Dordrecht, Boston, Reidel (podręcznik podstawowy).
Petty, GW, pierwszy kurs termodynamiki atmosferycznej , Sundog Publishing, Madison, Wisconsin, ISBN 978-0-9729033-2-5 (podręcznik licencjacki).
Tsonis Anastasios, A. (2002). Wprowadzenie do termodynamiki atmosferycznej . Wydawnictwo Uniwersytetu Cambridge. Numer ISBN 978-0-521-79676-7.
von Alfred Wegener, Thermodynamik der Atmosphare, Lipsk, JA Barth, 1911, 331 s.
Wilford Zdunkowski, Termodynamika atmosfery: kurs meteorologii teoretycznej, Cambridge, Cambridge University Press, 2004.

Languages

In other projects