Атмосферная термодинамика является изучением тепла -До- рабочих преобразований (и их реверса) , которые имеют место в атмосфере Земли и проявляются как погода или климат. Атмосферная термодинамика использует законы классической термодинамики для описания и объяснения таких явлений, как свойства влажного воздуха, образование облаков, атмосферная конвекция, метеорология пограничного слоя и вертикальные нестабильности в атмосфере. Диаграммы термодинамики атмосферы используются как инструменты при прогнозировании развития штормов. Атмосферная термодинамика составляет основу микрофизики облаков и параметризации конвекции. используется в численных моделях погоды и во многих климатических соображениях, в том числе в климатических моделях конвективного равновесия.
Обзор [ править ]
Атмосфера - это пример неравновесной системы. [1] Атмосферная термодинамика описывает эффект выталкивающих сил, 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 модифицируется силой градиента давления, и это движение модифицируется силой Кориолиса . Используемые инструменты включают закон сохранения энергии, закон идеального газа , удельную теплоемкость, допущение об изэнтропических процессах (в которых энтропия постоянна) и влажные адиабатические процессы.(во время которого энергия не передается в виде тепла). Большинство тропосферных газов рассматриваются как идеальные газы, а водяной пар с его способностью переходить из пара в жидкую, твердую и обратно фазу считается одним из наиболее важных микрокомпонентов воздуха.
Дополнительные темы - фазовые переходы воды, гомогенное и неоднородное зародышеобразование, влияние растворенных веществ на конденсацию облаков, роль перенасыщения в образовании кристаллов льда и капель облаков. При рассмотрении теорий влажного воздуха и облаков обычно учитываются различные температуры, такие как эквивалентная потенциальная температура, температура по влажному термометру и виртуальная температура. Связанные области - это передача энергии, количества движения и массы , турбулентное взаимодействие между частицами воздуха в облаках, конвекция, динамика тропических циклонов и крупномасштабная динамика атмосферы.
Основная роль атмосферной термодинамики выражается в терминах адиабатических и диабатических сил, действующих на воздушные частицы, включенные в примитивные уравнения движения воздуха либо в виде решаемой сетки, либо в виде подсеточной параметризации. Эти уравнения составляют основу численных прогнозов погоды и климата.
История [ править ]
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 в атмосферных паровых двигателях; Одним из примеров является уравнение Клаузиуса – Клапейрона . В 1873 году термодинамик Уиллард Гиббс опубликовал «Графические методы термодинамики жидкостей».
Естественно, что такие основы стали применяться для разработки теоретических моделей атмосферной термодинамики, которые привлекли внимание лучших умов. В 1860-х годах появились работы по атмосферной термодинамике, 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 для описания воздуха, когда он поднимается, расширяется, охлаждается и, в конечном итоге, осаждает свой водяной пар; в 1888 г. он опубликовал объемный труд «К термодинамике атмосферы». [3]
В 1911 году фон Альфред Вегенер опубликовал книгу «Термодинамика атмосферы», Лейпциг, Дж. А. Барт. Отсюда началось развитие термодинамики атмосферы как раздела науки. Сам термин «атмосферная термодинамика» восходит к публикации Фрэнка У. Вериса 1919 года: « Лучистые свойства Земли с точки зрения атмосферной термодинамики» (периодические научные статьи Астрофизической обсерватории Вествуд). К концу 1970-х годов начали появляться различные учебники по этому предмету. Сегодня термодинамика атмосферы является неотъемлемой частью прогнозов погоды.
Хронология [ править ]
- 1751 г. Шарль Ле Рой признал температуру точки росы точкой насыщения воздуха.
- 1782 г. Жак Шарль совершил полет на водородном шаре для измерения температуры и давления в Париже.
- 1784 г. Предложена концепция изменения температуры с высотой.
- 1801–1803 гг. Джон Дальтон разработал законы давления паров.
- 1804 г. Жозеф Луи Гей-Люссак совершил восхождение на воздушном шаре, чтобы изучить погоду.
- 1805 Пьер Симон Лаплас разработал закон изменения давления с высотой.
- 1841 г. Джеймс Поллард Эспи публикует статью о теории конвекции энергии циклонов.
- 1856 Уильям Феррел представляет динамику, вызывающую западные ветры.
- 1889 Герман фон Гельмгольц и Джон Вильям фон Бецольд использовали концепцию потенциальной температуры, фон Бецольд использовал адиабатический градиент и псевдоадиабату.
- 1893 Ричард Асман конструирует первый аэрологический зонд (давление-температура-влажность).
- 1894 г. Джон Вильгельм фон Бецольд использовал понятие эквивалентной температуры.
- 1926 Сэр Напье Шоу представил тефиграмму.
- 1933 Тор Бержерон опубликовал статью «Физика облаков и осадков», описывающую осадки из переохлажденных (из-за конденсационного роста кристаллов льда в присутствии капель воды).
- 1946 Винсент Дж. Шеффер и Ирвинг Ленгмюр провели первый эксперимент по засеиванию облаков.
- 1986 К. Эмануэль концептуализирует тропический циклон как тепловую машину Карно.
Приложения [ править ]
Hadley Circulation [ править ]
Циркуляцию Хэдли можно рассматривать как тепловую машину. [4] Циркуляция Хэдли отождествляется с подъемом теплого и влажного воздуха в экваториальной области с опусканием более холодного воздуха в субтропиках, что соответствует термически управляемой прямой циркуляции с последующим чистым производством кинетической энергии. Термодинамический КПД системы Хэдли, рассматриваемой как тепловая машина, был относительно постоянным в период с 1979 по 2010 год, составляя в среднем 2,6%. За тот же интервал мощность, генерируемая режимом Хэдли, росла в среднем примерно на 0,54 ТВт в год; это отражает увеличение поступления энергии в систему в соответствии с наблюдаемой тенденцией изменения температуры поверхности моря в тропиках.
Тропический циклон Карно [ править ]
Термодинамическое поведение урагана можно смоделировать как тепловую машину [5], которая работает между тепловым резервуаром моря при температуре около 300K (27 ° C) и теплоотводом тропопаузы при температуре около 200K ( −72 ° C) и при этом 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 циркулирующие ветры, которые двигаются силой Кориолиса., которые поднимают волны и увеличивают количество теплого влажного воздуха, питающего циклон. Как снижение температуры в верхних слоях тропосферы, так и повышение температуры атмосферы вблизи поверхности увеличат максимальное количество ветров, наблюдаемое при ураганах. Применительно к динамике ураганов он определяет цикл теплового двигателя Карно и предсказывает максимальную интенсивность урагана.
Водяной пар и глобальное изменение климата [ править ]
Соотношение Клаузиуса-Клапейрона показывает, как водоудерживающая способность атмосферы увеличивается примерно на 8% при повышении температуры по Цельсию . (Это не зависит напрямую от других параметров, таких как давление или плотность .) Эту водоудерживающую способность или « равновесное давление пара » можно приблизительно определить с помощью формулы Августа-Роша-Магнуса.
(где - равновесное давление насыщенного пара в гПа , а - температура в градусах Цельсия). Это показывает, что при повышении температуры воздуха (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 площадей оседания , на эффективность выпадения осадков может влиять интенсивность конвекции и потому, что образование облаковотносится к относительной влажности. [ необходима цитата ]
См. Также [ править ]
- Атмосферная конвекция
- Атмосферная температура
- Атмосферная волна
- Химическая термодинамика
- Физика облаков
- Равновесная термодинамика
- Динамика жидкостей
- Неравновесная термодинамика
- Термодинамика
Специальные темы [ править ]
- Лоренц, EN, 1955, Доступная потенциальная энергия и поддержание общего кровообращения, Tellus, 7, 157–167.
- Эмануэль К., 1986, Часть I. Теория взаимодействия воздуха и моря для тропических циклонов, J. Atmos. Sci. 43, 585 ( энергетический цикл зрелого урагана здесь идеализирован как двигатель Карно, который преобразует тепловую энергию, извлеченную из океана, в механическую энергию).
Ссылки [ править ]
- ^ Цзюньлинг Хуанг и Майкл Б. МакЭлрой (2015). «Термодинамическое нарушение равновесия атмосферы в условиях глобального потепления» . Климатическая динамика . 45 (11–12): 3513–3525. Bibcode : 2015ClDy..tmp ... 98H . DOI : 10.1007 / s00382-015-2553-х . S2CID 131679473 .
- ↑ Hertz, H., 1884, Graphische Methode zur Bestimmung der adiabatischen Zustandsanderungen feuchter Luft. Метеор Ztschr, т. 1. С. 421–431. Английский перевод Аббе, К. - Механика земной атмосферы. Смитсоновские разные коллекции, 843, 1893, 198–211
- ^ Zur Thermodynamik der Atmosphäre. Оч. I, II. Sitz. К. Прейс. Акад. Wissensch. Берлин, стр. 485–522, 1189–1206; Gesammelte Abhandlugen, стр. 91–144. Английский перевод Аббе, К. Механика земной атмосферы. Смитсоновские разные коллекции, № 843, 1893, 212–242.
- ^ Junling Huang & Michael B. McElroy (2014). «Вклад циркуляций Хэдли и Ферреля в энергетику атмосферы за последние 32 года» . Журнал климата . 27 (7): 2656–2666. Bibcode : 2014JCli ... 27.2656H . DOI : 10,1175 / jcli-d-13-00538.1 .
- ^ Эммануила, К. А. Годовой обзор Fluid Mechanics, 23, 179-196 (1991)
Дальнейшее чтение [ править ]
- Борен, С.Ф. и Б. Альбрехт (1998). Атмосферная термодинамика . Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-509904-1.
- Карри, Дж. А. и П. Дж. Вебстер, 1999 г., Термодинамика атмосферы и океанов. Academic Press, Лондон, 467 стр. (Учебник для выпускников)
- Dufour, L. et, Van Mieghem, J. - Thermodynamique de l'Atmosphère, Institut Royal Meteorologique de Belgique, 1975. 278 стр. (Теоретический подход). Первое издание этой книги - 1947 год.
- Эмануэль, К.А. (1994): атмосферная конвекция, Oxford University Press . ISBN 0-19-506630-8 (термодинамика тропических циклонов).
- Ирибарн, Дж. В. и Годсон, В. Л., Атмосферная термодинамика, Дордрехт, Бостон, Рейдел (базовый учебник).
- Петти, GW, Первый курс атмосферной термодинамики , Sundog Publishing, Мэдисон, Висконсин, ISBN 978-0-9729033-2-5 (учебник для бакалавров).
- Цонис Анастасиос, А. (2002). Введение в термодинамику атмосферы . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-79676-7. CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
- фон Альфред Вегенер, Термодинамика атмосферы, Лейпциг, Дж. А. Барт, 1911, 331 стр.
- Уилфорд Здунковски, Термодинамика атмосферы: курс теоретической метеорологии, Кембридж, Cambridge University Press, 2004.