Атмосферная термодинамика - Atmospheric thermodynamics

Атмосферная термодинамика это изучение высокая температура -к-работай преобразования (и их обратные), которые происходят в атмосфере Земли и проявляются в виде погоды или климата. Атмосферная термодинамика использует законы классическая термодинамика, чтобы описать и объяснить такие явления, как свойства влажного воздуха, образование облаков, атмосферная конвекция, метеорология пограничного слоя и вертикальные нестабильности в атмосфере. Атмосферный термодинамические диаграммы используются как инструменты при прогнозировании развития штормов. Атмосферная термодинамика составляет основу микрофизики и конвекции облаков. параметризации используется в численных моделях погоды и во многих климатических соображениях, включая модели конвективно-равновесного климата.

Обзор

Атмосфера является примером неравновесной системы.[1] Атмосферная термодинамика описывает эффект выталкивающих сил, которые вызывают подъем менее плотного (более теплого) воздуха, опускание более плотного воздуха и преобразование воды из жидкости в пар (испарение) и ее конденсацию. Эта динамика видоизменяется сила градиента давления и это движение модифицируется Сила Кориолиса. Используемые инструменты включают закон сохранения энергии, закон идеального газа, удельные теплоемкости, предположение изэнтропические процессы (в котором энтропия является константой), а влажный адиабатические процессы (во время которого энергия не передается в виде тепла). Большинство тропосферных газов рассматриваются как идеальные газы и 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 негомогенное зародышеобразование, влияние растворенных веществ на конденсацию облаков, роль пересыщения 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 энергия, импульс и массообмен, турбулентное взаимодействие между частицами воздуха в облаках, конвекция, динамика тропических циклонов и крупномасштабная динамика атмосферы.

Основная роль термодинамики атмосферы выражается в адиабатических и диабатических силах, действующих на авиапосылок включен в примитивные уравнения движения воздуха в виде решетки или подсеточной параметризации. Эти уравнения составляют основу численных прогнозов погоды и климата.

История

В начале 19 века термодинамики, такие как Сади Карно, Рудольф Клаузиус, и Эмиль Клапейрон разработаны математические модели динамики жидких тел и паров, связанные с циклами сгорания и давления в атмосферных паровых машинах; одним из примеров является Уравнение Клаузиуса – Клапейрона. В 1873 г. термодинамик Уиллард Гиббс опубликовал «Графические методы термодинамики жидкостей».

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

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 сухость и влажность. адиабатические процессы. В 1884 г. Генрих Герц разработал первую термодинамическую диаграмму атмосферы (эмаграмма ).[2] Псевдоадиабатический процесс был изобретен фон Бецольд описание воздуха, когда он поднимается, расширяется, охлаждается и, в конечном итоге, выделяет свой водяной пар; в 1888 г. он опубликовал объемный труд «К термодинамике атмосферы».[3]

В 1911 году фон Альфред Вегенер опубликовал книгу «Thermodynamik der Atmosphäre», Лейпциг, J. A. Barth. Отсюда начало укореняться развитие термодинамики атмосферы как отрасли науки. Сам термин "атмосферная термодинамика" восходит к Фрэнк В. Верис Публикация 1919 года: «Лучистые свойства Земли с точки зрения термодинамики атмосферы» (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

  • 1751 Шарль Ле Рой признал температуру точки росы точкой насыщения воздуха
  • 1782 Жак Шарль совершил полет на водородном шаре для измерения температуры и давления в Париже
  • 1784 Предложена концепция изменения температуры с высотой.
  • 1801–1803 Джон Далтон разработал свои законы давления паров
  • 1804 Жозеф Луи Гей-Люссак совершил восхождение на воздушном шаре для изучения погоды
  • 1805 Пьер Симон Лаплас разработал свой закон изменения давления с высотой.
  • 1841 Джеймс Поллард Эспи публикует статью по теории конвекции циклонной энергии
  • 1856 Уильям Феррел представляет динамику, вызывающую западные ветры
  • 1889 Герман фон Гельмгольц и Джон Вильям фон Бецольд использовали понятие потенциальной температуры, фон Бецольд использовал адиабатическую скорость отклонения и псевдоадиабат
  • 1893 Ричард Асман конструирует первый аэрологический зонд (давление-температура-влажность)
  • 1894 Джон Вильгельм фон Бецольд использовал понятие эквивалентной температуры
  • 1926 Сэр Напье Шоу представил тефиграмму
  • 1933 Тор Бержерон опубликовал статью «Физика облаков и осадков», в которой описывается выпадение осадков из переохлажденных (из-за конденсационного роста кристаллов льда в присутствии капель воды).
  • 1946 Винсент Дж. Шеффер и Ирвинг Ленгмюр провели первый эксперимент по засеву облаков.
  • 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 термической 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 период 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

Воздух увлажняется по мере продвижения к конвективной системе. Восходящее движение в глубоком конвективном ядре вызывает расширение, охлаждение и конденсацию воздуха. Отток с верхнего уровня, видимый как наковальня, в конечном итоге опускается, сохраняя массу (Рысунек - Роберт Симмон).

Термодинамическое поведение урагана можно смоделировать как тепловую машину. [5] который работает между тепловым резервуаром моря при температуре около 300K (27 ° C) и радиатором тропопаузы при температуре около 200K (−72 ° C) и в процессе преобразует тепловую энергию в механическую энергию ветры. 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 за счет Сила 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, наблюдаемых при ураганах. Применительно к динамике ураганов он определяет цикл теплового двигателя Карно и предсказывает максимальную интенсивность урагана.

Водяной пар и глобальное изменение климата

Основные статьи: Соотношение Клаузиуса – Клапейрона и Приближение Августа-Роша-Магнуса

В Соотношение Клаузиуса – Клапейрона показывает, как водоудерживающая способность атмосферы увеличивается примерно на 8% при увеличении температуры по Цельсию. температура. (Он не зависит напрямую от других параметров, таких как давление или же плотность.) Это водоудерживающая способность, или "равновесное давление пара ", можно аппроксимировать с помощью Формула Августа-Роша-Магнуса

(куда это равновесие или давление насыщенного пара в гПа, и это температура в градусах Цельсия). Это показывает, что при повышении температуры воздуха (например, из-за парниковые газы ) абсолютная влажность также должен увеличиваться экспоненциально (предполагая постоянную относительная влажность ). Однако этот чисто термодинамический аргумент является предметом серьезных споров, поскольку конвективные процессы может вызвать сильное высыхание из-за увеличения площади проседание, эффективность осадков может зависеть от интенсивности конвекции, и потому что образование облаков относится к относительной влажности.[нужна цитата ]

Смотрите также

Специальные темы

  • Лоренц, Э. Н., 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, преобразующий тепловую энергию, извлеченную из океана, в механическую энергию).

Рекомендации

  1. ^ 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 ... 98ч. Дои:10.1007 / s00382-015-2553-х.
  2. ^ 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
  3. ^ 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.
  4. ^ Цзюньлинг Хуанг и Майкл Б. МакЭлрой (2014). «Вклад циркуляций Хэдли и Ферреля в энергетику атмосферы за последние 32 года». Журнал климата. 27 (7): 2656–2666. Bibcode:2014JCli ... 27.2656H. Дои:10.1175 / jcli-d-13-00538.1.
  5. ^ Эмануэль К.А. Ежегодный обзор механики жидкости, 23, 179–196 (1991)

дальнейшее чтение

  1. Борен, К.Ф. И Б. Альбрехт (1998). Атмосферная термодинамика. Издательство Оксфордского университета. ISBN  978-0-19-509904-1.
  2. Карри, Дж. и П.Дж. Вебстер, 1999 г., Термодинамика атмосферы и океанов. Academic Press, Лондон, 467 стр. (Учебник для выпускников)
  3. 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.
  4. Эмануэль, К.А. (1994): Атмосферная конвекция, Oxford University Press. ISBN  0-19-506630-8 (термодинамика тропических циклонов).
  5. Ирибарн, Дж. В., Годсон, В. Л., Атмосферная термодинамика, Дордрехт, Бостон, Рейдел (базовый учебник).
  6. Петти, Г.В., Первый курс термодинамики атмосферы, Издательство Sundog Publishing, Мэдисон, Висконсин, ISBN  978-0-9729033-2-5 (учебник для бакалавров).
  7. Цонис Анастасиос, А. (2002). Введение в термодинамику атмосферы. Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-0-521-79676-7.
  8. фон Альфред Вегенер, Термодинамика атмосферы, Лейпциг, Дж. А. Барт, 1911, 331 стр.
  9. Уилфорд Здунковски, Термодинамика атмосферы: курс теоретической метеорологии, Кембридж, Cambridge University Press, 2004.

внешняя ссылка