Термодинаміка атмосфери

Термодинаміка атмосфери — розділ фізики атмосфери, присвячений вивченню процесів передачі та перетворення тепла в роботу (і навпаки) в атмосфері Землі у зв'язку з вивченням фізики погодних явищ або клімату на основі фундаментальних законів класичної термодинаміки^[1]. Дослідження в цій галузі необхідні для розуміння властивостей атмосферної турбулентності, конвекції, динаміки планетарного прикордонного шару і його вертикальної стійкості. Термодинаміка атмосфери служить основою для моделювання процесів в хмарах, використовується при параметризації конвекції в численних моделях динаміки атмосфери, прогнозу погоди і теорії клімату. Термодинамічні діаграми застосовуються як інструмент прогнозування розвитку шторму. Термодинаміка атмосфери є складовою частиною курсу динамічної метеорології.

Історія

• 1782 року Шарль винайшов повітряну кулю, наповнену воднем, і застосував його для вимірювання температури та тиску в атмосфері над Парижем. Відкрив закон Шарля.
• 1801 року Дальтон відкрив закон складання парціальних тисків, який названо його іменем.
• 1805 року Лаплас відкрив закон зміни тиску з висотою.
• 1823 року Пуассон сформулював рівняння, яке названо його іменем та який зв'язує зміну температури зі зміною тиску в адіабатичному процесі.
• 1841 року Джеймс Поллард Еспі виявив важливу роль виділення прихованої теплоти пароутворення в підтримці енергії циклонів, запропонував теорію утворення фену.
• 1860 року Томсон дав теорію влажноадіабатичного процесу.
• 1884 року Герц запропонував першу аерологічну діаграму (емаграмму)^[2].
• 1888 року Бецольда публікує першу монографію^[3], присвячену термодинаміці атмосфери, тим самим вперше визначив цей розділ фізики, як предмет самостійного дослідження.
• У 1889 році Гельмгольц і Бецольда ввели поняття потенційної температури.
• У 1893 році Асман сконструював перший Аерозонд, який вимірював температуру, тиск і вологість.
• У 1930 році Молчанов запустив перший у світі радіозонд.

Термодинаміка осередку Хедлі

Волога конвекція в тропічній атмофері

Фізичні процеси в осередку Хедлі можуть розглядатися як результат роботи атмосферної теплової машини. Циркуляція в осередку є результатом підйому теплого і вологого повітря в екваторіальній області з його охолодженням і опусканням в субтропіках. Оцінка термодинамічної ККД такої теплової машини в період з 1979 по 2010 роки^[4] виявилася приблизно постійною та в середньому дорівнює 2,6 %. У той час як потужність, що генерується осередком Хедлі, за той же проміжок часу росла в середньому на 0,54 ТВт в рік, що стало результатом тенденції зміни температури поверхні тропічних морів.

Теормодинаміка тропічного циклону

Термодинамічні процеси відіграють визначальну роль у розвитку тропічного циклону (урагану). Зазвичай, розвиток урагану представляється як результат роботи атмосферної теплової машини, в якій повітря нагрівається внаслідок теплообміну з поверхнею океану, що має температуру близько 300 К, підіймається в результаті конвекції і охолоджується у Тропопауза, яка має температуру близько 200 К. При цьому важливу роль відіграють фазові переходи води. На поверхні океану відбувається інтенсивне випаровування. Тепле, висхідне повітря при його підйомі розширюється і охолоджується. Досягнувши точки роси, водяна пара конденсується, формуючи хмари і зливові опади. Виділення прихованого тепла при конденсації забезпечує приплив енергії, що підтримує механічну енергію урагану.

Термодинаміка прикордонного шару

Термічні умови в прикордонному шарі атмосфери істотно впливають на його динаміку і є причиною його тимчасової і просторової мінливості. Теоретичні моделі, що використовують рівняння теплопровідності (рівняння припливу тепла), рівняння стану ідеального газу, рівняння дифузії водяної пари лежать в основі теорії аналізу процесів, що протікають в прикордонному шарі^[5], в мезометеорологіі^[6]. Теорія (принаймні якісно) моделює такі явища, як добовий хід параметрів стану атмосфери, бризи, вплив неоднорідності підстильної поверхні, орографічні ефекти (гірничо-долинні вітри, льодовикові вітри, місцеві вітри : фен, бора, і ін.), Адвектівние тумани. Дослідження впливу термічної стратифікації на турбулентні потоки використовуються при чисельному моделюванні процесу розсіювання домішок в атмосфері^[7].

Див. також

• Адіабатичний градієнт температури
• Умова виникнення конвекції