Атмосферная термодинамика

Атмосферная термодинамика — это изучение преобразований тепла в работу (и их обратных процессов), которые происходят в атмосфере Земли и проявляются в виде погоды или климата. Атмосферная термодинамика 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. атмосферы Термодинамические диаграммы используются как инструмент прогнозирования развития штормов. Атмосферная термодинамика составляет основу микрофизики облаков и параметризации конвекции, используемых в числовых моделях погоды, и используется во многих климатических соображениях, включая модели конвективно-равновесного климата.

Обзор

Атмосфера является примером неравновесной системы. ^[1] Атмосферная термодинамика описывает действие выталкивающих сил, вызывающих подъем менее плотного (более теплого) воздуха, опускание более плотного воздуха, а также 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 , удельную теплоемкость, предположение об изэнтропических процессах (в которых энтропия является постоянной) и влажных адиабатических процессах (во время которых энергия не передается в виде тепла). Большинство тропосферных газов рассматриваются как идеальные газы, а водяной пар с его способностью менять фазу с пара на жидкость, на твердое тело и обратно считается одним из наиболее важных микроэлементов воздуха.

Продвинутые темы: фазовые переходы воды, гомогенная и неоднородная нуклеация, влияние растворенных веществ на конденсацию облаков, роль пересыщения в образовании кристаллов льда и облачных капель. Рассмотрение теорий влажного воздуха и облаков обычно включает в себя различные температуры, такие как эквивалентная потенциальная температура, температура по влажному термометру и виртуальная температура. Связанными областями являются перенос энергии, импульса и 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 частицы воздуха , включенные в примитивные уравнения движения воздуха либо в виде сеточной, либо в виде подсеточной параметризации. Эти уравнения составляют основу для численных прогнозов погоды и климата.

История

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».

Термодинамическая диаграмма, разработанная в 19 веке, до сих пор используется для расчета таких величин, как доступная конвективная потенциальная энергия или стабильность воздуха.

Подобные основы, естественно, стали применяться при разработке теоретических моделей термодинамики атмосферы, которые привлекли внимание лучших умов. В 1860-х годах появились статьи 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 Безольдом, описывающим воздух, когда он поднимается, расширяется, охлаждается и в конечном итоге осаждает водяной пар; в 1888 г. он опубликовал объемистый труд под названием «К термодинамике атмосферы». ^[3]

В 1911 году фон Альфред Вегенер опубликовал книгу «Термодинамика атмосферы», Лейпциг, Дж. А. Барт.Отсюда начало развиваться развитие атмосферной термодинамики как отрасли науки. Сам термин «атмосферная термодинамика» восходит к публикации Фрэнка В. Вериса 1919 года: «Излучательные свойства Земли с точки зрения атмосферной термодинамики» (периодические научные статьи Вествудской астрофизической обсерватории). К концу 1970-х годов начали появляться различные учебники по этому предмету. Сегодня термодинамика атмосферы является неотъемлемой частью прогнозирования погоды.

Хронология

1751 г. Шарль Ле Рой признал температуру точки росы точкой насыщения воздуха.
1782 Жак Шарль совершил полет на водородном шаре, измеряя температуру и давление в Париже.
1784 г. Была предложена концепция изменения температуры с высотой.
1801–1803 Джон Дальтон разработал законы давления паров.
1804 г. Жозеф Луи Гей-Люссак поднялся на воздушном шаре, чтобы изучить погоду.
1805 Пьер Симон Лаплас разработал закон изменения давления с высотой.
1841 г. Джеймс Поллард Эспи публикует статью по конвекционной теории энергии циклонов.
1856 г. Уильям Феррел представляет динамику, вызывающую западные ветры.
1889 г. Герман фон Гельмгольц и Джон Уильям фон Безольд использовали концепцию потенциальной температуры, фон Безольд использовал адиабатический градиент и псевдоадиабату.
1893 г. Ричард Асман конструирует первый аэрологический зонд (давление-температура-влажность).
1894 г. Джон Вильгельм фон Безольд использовал концепцию эквивалентной температуры.
1926 г. Сэр Нэпьер Шоу представил тефиграмму.
1933 г. Тор Бержерон опубликовал статью «Физика облаков и осадков», описывающую выпадение осадков в результате переохлаждения (из-за конденсационного роста кристаллов льда в присутствии капель воды).
1946 Винсент Дж. Шеффер и Ирвинг Ленгмюр провели первый по засеву облаков . эксперимент
1986 К. Эмануэль концептуализирует тропический циклон как тепловую машину Карно.

Приложения

Хэдли Циркуляция

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 прямой циркуляции, вызванной термическим воздействием, с последующим чистым производством кинетической энергии. Термодинамический КПД системы Хэдли, рассматриваемой как тепловая машина, был относительно постоянным в течение периода 1979–2010 годов, составляя в среднем 2,6%. За тот же период мощность, вырабатываемая в режиме 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 Цикл Карно

Термодинамическое поведение урагана можно смоделировать как тепловую машину. ^[5] который работает между тепловым резервуаром моря с температурой около 300К (27 °С) и радиатором тропопаузы с температурой около 200К (-72 °С) и при этом преобразует тепловую энергию в механическую энергию ветры. Посылки воздуха, перемещающиеся 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, приводимые в движение силой Кориолиса , которые поднимают волны и увеличивают количество теплого влажного воздуха, питающего циклон. Как понижение температуры в верхних слоях тропосферы, так и повышение температуры атмосферы вблизи поверхности приведет к увеличению максимальной скорости ветра, наблюдаемой при ураганах. Применительно к динамике ураганов он определяет цикл тепловой машины Карно и прогнозирует максимальную интенсивность урагана.

Водяной пар и глобальное изменение климата

Соотношение Клаузиуса -Клапейрона показывает, как водоудерживающая способность атмосферы увеличивается примерно на 8% при повышении температуры по Цельсию . (Она не зависит напрямую от других параметров, таких как давление или плотность .) Эту водоудерживающую способность, или « равновесное давление пара », можно аппроксимировать с помощью формулы Огюста-Роша-Магнуса.

e_{s}(T)=6.1094\exp \left({\frac {17.625T}{T+243.04}}\right)

(где $e_{s}(T)$ равновесное или давление насыщенного пара в гПа , и $T$ температура в градусах Цельсия). Это показывает, что при повышении температуры воздуха (например, из-за парниковых газов ) абсолютная влажность также должна увеличиваться в геометрической прогрессии (при условии постоянной относительной влажности ). Однако этот чисто термодинамический аргумент является предметом серьезных дискуссий, поскольку конвективные процессы могут вызвать обширное высыхание из-за увеличения площадей оседания , на эффективность осадков может влиять интенсивность конвекции, а также поскольку образование облаков связано с относительной влажностью. ^{[ нужна ссылка ]}

См. также

Специальные темы

Лоренц, Э.Н., 1955, Доступная потенциальная энергия и поддержание общей циркуляции, Tellus, 7, 157–167.
Эмануэль, К., 1986, Часть I. Теория взаимодействия воздуха и моря для тропических циклонов, J. Atmos. наук. 43, 585 ( энергетический цикл зрелого урагана здесь идеализирован как двигатель Карно, преобразующий тепловую энергию, извлеченную из океана, в механическую энергию).

Ссылки

^ Цзюньлин Хуан и Майкл Б. МакЭлрой (2015). «Термодинамическое неравновесие атмосферы в условиях глобального потепления» . Климатическая динамика . 45 (11–12): 3513–3525. Бибкод : 2015ClDy...45.3513H . дои : 10.1007/s00382-015-2553-x . S2CID 131679473 .
^ Герц, Х., 1884, Графический метод определения адиабатических изменений состояния влажного воздуха. Метеор Зчр, т. 1, стр. 421–431. Английский перевод Аббе К. - Механика земной атмосферы. Разные коллекции Смитсоновского института, 843, 1893, 198–211.
^ О термодинамике атмосферы. Оч. I, II. Сиденье К. Пройсс. Академическая наука Берлин, стр. 485–522, 1189–1206; Сборник трактатов, стр. 91–144. Английский перевод Аббе, К. Механика земной атмосферы. Разные коллекции Смитсоновского института, № 843, 1893, 212–242.
^ Цзюньлин Хуан и Майкл Б. МакЭлрой (2014). «Вклад циркуляций Хэдли и Феррела в энергетику атмосферы за последние 32 года» . Журнал климата . 27 (7): 2656–2666. Бибкод : 2014JCli...27.2656H . doi : 10.1175/jcli-d-13-00538.1 . S2CID 131132431 .
^ Эмануэль, К.А. Ежегодный обзор механики жидкости, 23, 179–196 (1991)

Дальнейшее чтение

Борен, К.Ф. и Б. Альбрехт (1998). Атмосферная термодинамика . Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-509904-1 .
Карри, Дж. А. и П. Дж. Вебстер, 1999, Термодинамика атмосфер и океанов. Academic Press, Лондон, 467 стр. (учебник для выпускников)
Дюфур Л. и Ван Мигем Дж. – Термодинамика атмосферы, Королевский метеорологический институт Бельгии, 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, Рейдель (базовый учебник).
Петти, Г.В., Первый курс атмосферной термодинамики , издательство Sundog Publishing, Мэдисон, Висконсин, ISBN 978-0-9729033-2-5 (учебник для бакалавриата).
Цонис Анастасиос, А. (2002). Введение в термодинамику атмосферы . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-79676-7 .
Альфред Вегенер, Термодинамика атмосферы, Лейпциг, Дж. А. Барт, 1911, 331 стр.
Уилфорд Здунковски, Термодинамика атмосферы: курс теоретической метеорологии, Кембридж, Cambridge University Press, 2004.

[1] Цзюньлин Хуан и Майкл Б. МакЭлрой (2015). «Термодинамическое неравновесие атмосферы в условиях глобального потепления» . Климатическая динамика . 45 (11–12): 3513–3525. Бибкод : 2015ClDy...45.3513H . дои : 10.1007/s00382-015-2553-x . S2CID 131679473 .

[2] Герц, Х., 1884, Графический метод определения адиабатических изменений состояния влажного воздуха. Метеор Зчр, т. 1, стр. 421–431. Английский перевод Аббе К. - Механика земной атмосферы. Разные коллекции Смитсоновского института, 843, 1893, 198–211.

[3] О термодинамике атмосферы. Оч. I, II. Сиденье К. Пройсс. Академическая наука Берлин, стр. 485–522, 1189–1206; Сборник трактатов, стр. 91–144. Английский перевод Аббе, К. Механика земной атмосферы. Разные коллекции Смитсоновского института, № 843, 1893, 212–242.

[4] Цзюньлин Хуан и Майкл Б. МакЭлрой (2014). «Вклад циркуляций Хэдли и Феррела в энергетику атмосферы за последние 32 года» . Журнал климата . 27 (7): 2656–2666. Бибкод : 2014JCli...27.2656H . doi : 10.1175/jcli-d-13-00538.1 . S2CID 131132431 .

[5] Эмануэль, К.А. Ежегодный обзор механики жидкости, 23, 179–196 (1991)

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]