Термодинамика атмосферы изучает преобразования тепла в работу (и их обратные процессы), происходящие в атмосфере Земли и проявляющиеся в погоде или климате. Термодинамика атмосферы использует законы классической термодинамики для описания и объяснения таких явлений, как свойства влажного воздуха, образование облаков, атмосферная конвекция, метеорология пограничного слоя и вертикальная нестабильность в атмосфере. Диаграммы термодинамики атмосферы используются в качестве инструментов для прогнозирования развития штормов. Термодинамика атмосферы составляет основу микрофизики облаков и параметризации конвекции , используемых в численных моделях погоды, и используется во многих климатических исследованиях, включая модели климата с конвективным равновесием.
Атмосфера является примером неравновесной системы. [1] Атмосферная термодинамика описывает эффект сил плавучести, которые вызывают подъем менее плотного (более теплого) воздуха, опускание более плотного воздуха и превращение воды из жидкости в пар (испарение) и ее конденсацию. Эта динамика изменяется силой градиента давления , а это движение изменяется силой Кориолиса . Используемые инструменты включают закон сохранения энергии, закон идеального газа , удельные теплоемкости, предположение об изэнтропических процессах (в которых энтропия является постоянной величиной) и влажно- адиабатических процессах (во время которых энергия не передается в виде тепла). Большинство тропосферных газов рассматриваются как идеальные газы, а водяной пар , с его способностью изменять фазу из пара в жидкость, в твердое состояние и обратно, считается одним из важнейших микрокомпонентов воздуха.
Продвинутые темы: фазовые переходы воды, однородное и неоднородное зародышеобразование, влияние растворенных веществ на конденсацию облаков, роль пересыщения в образовании ледяных кристаллов и облачных капель. Рассмотрение теорий влажного воздуха и облаков обычно включает различные температуры, такие как эквивалентная потенциальная температура, температура влажного термометра и виртуальная температура. Связанные области: энергия, импульс и перенос массы , турбулентное взаимодействие между частицами воздуха в облаках, конвекция, динамика тропических циклонов и крупномасштабная динамика атмосферы.
Основная роль термодинамики атмосферы выражается в терминах адиабатических и диабатических сил, действующих на воздушные частицы , включенных в примитивные уравнения движения воздуха, либо как сеточные, либо как подсеточные параметризации. Эти уравнения формируют основу для численных прогнозов погоды и климата.
В начале 19 века термодинамики, такие как Сади Карно , Рудольф Клаузиус и Эмиль Клапейрон, разработали математические модели динамики жидких тел и паров, связанных с циклами сгорания и давления атмосферных паровых двигателей; одним из примеров является уравнение Клаузиуса–Клапейрона . В 1873 году термодинамик Уиллард Гиббс опубликовал «Графические методы в термодинамике жидкостей».
Эти виды основ естественным образом начали применяться для разработки теоретических моделей термодинамики атмосферы, которые привлекли внимание лучших умов. Статьи по термодинамике атмосферы появились в 1860-х годах, в которых рассматривались такие темы, как сухие и влажные адиабатические процессы . В 1884 году Генрих Герц разработал первую термодинамическую диаграмму атмосферы ( эмаграмму ). [2] Псевдоадиабатический процесс был придуман фон Бецольдом , описывающим воздух, когда он поднимается, расширяется, охлаждается и в конечном итоге выделяет водяной пар; в 1888 году он опубликовал объемную работу под названием «О термодинамике атмосферы». [3]
В 1911 году фон Альфред Вегенер опубликовал книгу "Thermodynamik der Atmosphäre", Лейпциг, JA Barth. Отсюда начало укореняться развитие термодинамики атмосферы как отрасли науки. Сам термин "атмосферная термодинамика" можно проследить до публикации Фрэнка В. Вериса 1919 года: "The radiant properties of the earth through the pointpoint of atmosphere thermodynamics" (Occasional scientific papers of the Westwood Astrophysical Observatory). К концу 1970-х годов начали появляться различные учебники по этой теме. Сегодня термодинамика атмосферы является неотъемлемой частью прогнозирования погоды.
Циркуляция Хэдли может рассматриваться как тепловой двигатель. [4] Циркуляция Хэдли отождествляется с подъемом теплого и влажного воздуха в экваториальной области с опусканием более холодного воздуха в субтропиках, что соответствует термически обусловленной прямой циркуляции с последующим чистым производством кинетической энергии. Термодинамическая эффективность системы Хэдли, рассматриваемой как тепловой двигатель, была относительно постоянной в течение периода 1979~2010 гг., составляя в среднем 2,6%. За тот же интервал мощность, генерируемая режимом Хэдли, росла со средней скоростью около 0,54 ТВт в год; это отражает увеличение поступления энергии в систему, соответствующее наблюдаемой тенденции в температурах поверхности тропического моря .
Термодинамическое поведение урагана можно смоделировать как тепловой двигатель [5] , который работает между тепловым резервуаром моря при температуре около 300 К (27 °C) и теплоотводом тропопаузы при температуре около 200 К (−72 °C) и в процессе преобразует тепловую энергию в механическую энергию ветра. Частицы воздуха, движущиеся близко к поверхности моря, поглощают тепло и водяной пар, нагретый воздух поднимается, расширяется и охлаждается, вызывая конденсацию и осадки. Поднимающийся воздух и конденсация создают циркуляционные ветры, которые движимы силой Кориолиса , которые поднимают волны и увеличивают количество теплого влажного воздуха, питающего циклон. Как понижение температуры в верхней тропосфере, так и повышение температуры атмосферы близко к поверхности увеличат максимальные ветры, наблюдаемые в ураганах. Применительно к динамике ураганов это определяет цикл теплового двигателя Карно и предсказывает максимальную интенсивность урагана.
Соотношение Клаузиуса -Клапейрона показывает, как водоудерживающая способность атмосферы увеличивается примерно на 8% при повышении температуры на градус Цельсия . (Она не зависит напрямую от других параметров, таких как давление или плотность .) Эту водоудерживающую способность, или « равновесное давление пара », можно приблизительно рассчитать с помощью формулы Огаста-Роша-Магнуса.
(где — равновесное или насыщенное давление пара в гПа , а — температура в градусах Цельсия). Это показывает, что при повышении температуры атмосферы (например, из-за парниковых газов ) абсолютная влажность также должна увеличиваться экспоненциально (при условии постоянной относительной влажности ). Однако этот чисто термодинамический аргумент является предметом значительных споров, поскольку конвективные процессы могут вызывать обширное высыхание из-за увеличения зон оседания , эффективность осадков может зависеть от интенсивности конвекции, а также потому, что образование облаков связано с относительной влажностью. [ необходима ссылка ]
