ATMOSFERİK TERMODİNAMİK

Atmosferik termodinamik, dünya atmosferinde gerçekleşen ve hava veya iklim olarak ortaya çıkan ısı – iş dönüşümlerinin (ve bunların tersinin) incelenmesidir. Atmosferik termodinamik , nemli havanın özellikleri, bulutların oluşumu, atmosferik konveksiyon, sınır tabakası meteorolojisi ve atmosferdeki dikey kararsızlıklar gibi olayları tanımlamak ve açıklamak için klasik termodinamik yasalarını kullanır . Atmosferik termodinamik diyagramlar fırtına gelişiminin tahmininde araç olarak kullanılır. Atmosferik termodinamik, bulut mikrofiziği ve konveksiyon parametrelendirmeleri için bir temel oluşturur sayısal hava modellerinde kullanılır ve konvektif denge iklim modelleri de dahil olmak üzere birçok iklim düşüncesinde kullanılır.

GENEL BAKIŞ

Atmosfer, denge olmayan bir sistem örneğidir. ^[1] Atmosferik termodinamik, daha az yoğun (daha sıcak) havanın yükselmesine, daha yoğun havanın inişine ve suyun sıvıdan buhara (buharlaşma) dönüşmesine ve yoğunlaşmasına neden olan kaldırma kuvvetlerinin etkisini tanımlar. Bu dinamikler basınç eğiminin kuvveti ile değiştirilir ve bu hareket Coriolis kuvveti tarafından değiştirilir . Kullanılan araçlar enerji tasarrufu yasası , ideal gaz yasası , özgül ısı kapasiteleri, ( entropinin sabit olduğu) izentropik süreçlerin varsayımı ve nemli adyabatik süreçleri içerir.(bu sırada hiçbir enerji ısı olarak aktarılmaz). Troposferik gazların çoğu, fazı buhardan sıvıya, katıya geri dönüş kabiliyeti ile ideal gazlar ve su buharı olarak işlenir ve havanın en önemli eser bileşenlerinden biri olarak kabul edilir.

İleri konular su faz geçişleri, homojen ve homojen çekirdeklenme, çözünmüş maddelerin bulut yoğunlaşması üzerindeki etkisi, süper doygunluğun buz kristalleri ve bulut damlacıklarının oluşumu üzerindeki rolüdür. Nemli hava ve bulut teorileri ile ilgili hususlar tipik olarak eşdeğer potansiyel sıcaklık, yaş termometre ve sanal sıcaklıklar gibi çeşitli sıcaklıkları içerir. Bağlantılı alanlar enerji, momentum ve kütle transferi , bulutlardaki hava parçacıkları arasındaki türbülans etkileşimi, konveksiyon, tropikal siklonların dinamiği ve atmosferin büyük ölçekli dinamikleri.

Atmosferik termodinamiğin en büyük rolü, hava hareketinin ilkel denklemlerine ızgara çözülmüş veya alt şebeke parametrelemeleri olarak dahil edilen hava parsellerine etki eden adyabatik ve diyabatik kuvvetler olarak ifade edilir . Bu denklemler sayısal hava ve iklim tahminleri için bir temel oluşturur.

TARİHÇE

19. yüzyılın başlarında Sadi Carnot, Rudolf Clausius ve Émile Clapeyron gibi termodinamikçiler , atmosferik buhar motorlarının yanması ve basınç çevrimleri ile ilgili akışkan cisimlerin ve buharların dinamiği üzerine matematiksel modeller geliştirdiler; bir örnek Clausius-Clapeyron denklemidir. 1873 yılında termodinamikçi Willard Gibbs “Akışkanların Termodinamiğinde Grafik Yöntemler” i yayınladı.

19. yüzyılda geliştirilen termodinamik diyagram hala konvektif mevcut potansiyel enerji veya hava stabilitesi gibi miktarları hesaplamak için kullanılmaktadır.

Bu tür temeller doğal olarak en iyi zihinlerin dikkatini çeken atmosferik termodinamiğin teorik modellerinin geliştirilmesine uygulanmaya başlandı. 1860’larda kuru ve nemli adyabatik süreçler gibi konuları ele alan atmosferik termodinamik ile ilgili makaleler ortaya çıktı. 1884 yılında Heinrich Hertz ilk atmosferik termodinamik diyagramı (emagram) tasarladı. ^[2] Yalancı adyabatik süreç von Bezold tarafından hava kaldırılırken, genleşir, soğur ve nihayetinde su buharını çökeltirken tanımlayan bir yöntemdi; 1888’de “Atmosferin termodinamiği hakkında” başlıklı çok sayıda eser yayınladı. ^[3]

1911 yılında von Alfred Wegener , Leipzig, JA Barth adlı “Thermodynamik der Atmosphäre” adlı bir kitap yayınladı. Buradan bir bilim dalı olarak atmosferik termodinamiğin gelişimi kök salmaya başladı. “Atmosferik termodinamik” terimi Frank W. Verys 1919 yayınına kadar izlenebilir : “Atmosferik termodinamik bakış açısından dünyanın ışıltılı özellikleri” (Westwood Astrofizik Gözlemevi’nin zaman zaman bilimsel makaleleri). 1970’lerin sonunda konuyla ilgili çeşitli ders kitapları ortaya çıkmaya başladı. Bugün, atmosferik termodinamik, hava tahmininin ayrılmaz bir parçasıdır.

Kronoloji

1751 Charles Le Roy çiğ noktası sıcaklığını havanın doygunluk noktası olarak tanıdı
1782 Jacques Charles Paris’te sıcaklık ve basıncı ölçen hidrojen balon uçuşu yaptı
1784 Sıcaklığın boy ile değişimi kavramı önerildi
1801–1803 John Dalton , buhar basınçları yasalarını geliştirdi
1804 Joseph Louis Gay-Lussac hava çalışması için balon tırmanışı yaptı
1805 Pierre Simon Laplace basınç değişim yasasını yükseklikle geliştirdi
1841 James Pollard Espy siklon enerjisinin taşınım teorisi üzerine bir makale yayınladı
1856 William Ferrel batıya neden olan dinamikler sunuyor
1889 Hermann von Helmholtz ve John William von Bezold potansiyel sıcaklık kavramını, von Bezold adyabatik sukut oranı ve psödoadiabat kullandı
1893 Richard Asman ilk aerolojik sondayı inşa etti (basınç-sıcaklık-nem)
1894 John Wilhelm von Bezold eşdeğer sıcaklık kavramını kullandı
1926 Sir Napier Shaw tephigramı tanıttı
1933 Tor Bergeron, “Soğutulmuş Fizik ve Yağış” konulu aşırı soğutulmuş yağışı (su damlalarının varlığında buz kristallerinin yoğunlaşma nedeniyle)
1946 Vincent J. Schaeffer ve Irving Langmuir ilk bulut tohumlama deneyini gerçekleştirdiler
1986 K. Emanuel, tropikal siklonu Carnot ısı motoru olarak kavramsallaştırdı

UYGULAMALAR

Hadley Dolaşımı

Hadley Sirkülasyonu bir ısı motoru olarak düşünülebilir. ^[4] Hadley sirkülasyonu ekvatoral bölgedeki ılık ve nemli havanın, termal olarak yönlendirilen doğrudan dolaşıma karşılık gelen subtropiklerde soğuk havanın alçalması ve bunun sonucunda net kinetik enerji üretimi ile tanımlanır. Isı motoru olarak kabul edilen Hadley sisteminin termodinamik verimliliği, ortalama% 2,6 olan 1979 – 2010 döneminde sabit kalmıştır. Aynı aralıkta Hadley rejimi tarafından üretilen güç yılda ortalama 0.54 TW oranında artmıştır; bu, tropikal deniz yüzey sıcaklıklarında gözlenen eğilim ile tutarlı olarak sisteme enerji girdisindeki bir artışı yansıtır.

Tropikal siklon Carnot çevrimi

Bir kasırganın termodinamik davranışı, yaklaşık 300K (27 ° C) bir sıcaklıkta denizin ısı rezervuarı ile yaklaşık 200K (tropopozun ısı alıcısı) arasında çalışan bir ısı motoru ^[5] olarak modellenebilir. −72 ° C) ve işlem sırasında ısı enerjisini rüzgarların mekanik enerjisine dönüştürür. Deniz yüzeyine yaklaşan hava parselleri ısı ve su buharını alır, ısıtılan hava yükselir ve genişler ve soğuduğundan yoğunlaşmaya ve yağışa neden olur. Yükselen hava ve yoğuşma, Coriolis kuvveti tarafından tahrik edilen dolaşım rüzgarları üretirdalgaları çırpıyor ve siklona güç veren ılık nemli hava miktarını arttırıyor. Hem üst troposferde azalan sıcaklık hem de yüzeye yakın atmosferin artan sıcaklığı, kasırgalarda gözlemlenen maksimum rüzgarları artıracaktır. Kasırga dinamiklerine uygulandığında bir Carnot ısı motoru çevrimi tanımlar ve maksimum kasırga yoğunluğunu tahmin eder.

Su buharı ve küresel iklim değişikliği

Clausius-Clapeyron ilişkisi Celsius yaklaşık 8% ile atmosfer artar su tutma kapasitesi artış gösterilmiştir sıcaklığında. (Doğrudan basınç veya yoğunluk gibi diğer parametrelere bağlı değildir .) Bu su tutma kapasitesi veya ” denge buhar basıncı”, August-Roche-Magnus formülü kullanılarak tahmin edilebilir.

e_s (T) = 6.1094 \ exp \ left (\ frac {17.625T} {T + 243.04} \ sağ)

$Avustralya, Brezilya ve Kuzey Amerika ülkelerinin kullandığı saat uygulaması)$ denge ya da doymuş buhar basıncı olarak hPa ve $T$ derece Celsius cinsinden sıcaklıktır). Bu, atmosferik sıcaklık arttığında (örn. Sera gazları nedeniyle) mutlak nemin de katlanarak artması gerektiğini (sabit bir bağıl nem olduğu varsayılarak) gösterir. Ancak, bu tamamen termodinamik argüman önemli bir tartışma konusu olan konvektif işlemleri nedeniyle artan alanlarına kapsamlı kurutma neden olabilir çökme , yağış etkinliği konveksiyon yoğunluğu etkilenebilir olabilir ve çünkü bulut oluşumu nispi nemi ile ilgilidir.

KAYNAKÇA

Junling Huang ve Michael B. McElroy (2015). “Küresel ısınma bağlamında atmosferin termodinamik dengesizliği” . İklim Dinamiği . 45 (11-12): 3513-3525. Bibcode : 2015ClDy..tmp … 98H . doi : 10.1007 / s00382-015-2553-x .
Hertz, H., 1884, Graphische Methode zur Bestimmung der adiabatischen Zustandsanderungen feuchter Luft. Meteor Ztschr, cilt. 1, sayfa 421-431. Abbe, C. İngilizce çevirisi – Dünya atmosferinin mekaniği. Smithsonian Çeşitli Koleksiyonlar, 843, 1893, 198–211
Zur Thermodynamik der Atmosphäre. Puan. I, II. Sitz. K. Preuss. Akad. VVissensch. Berlin, sayfa 485–522, 1189–1206; Gesammelte Abhandlugen, sayfa 91-144. İngilizce çeviri Abbe, C. Dünya atmosferinin mekaniği. Smithsonian Çeşitli Koleksiyonlar, no 843, 1893, 212–242.
Junling Huang ve Michael B. McElroy (2014). “Hadley ve Ferrel Dolaşımlarının Son 32 Yılda Atmosfer Enerjisine Katkısı” . İklim Dergisi . 27 (7): 2656-266. Ürün kodu : 2014JCli … 27.2656H . doi : 10.1175 / jcli-d-13-00538.1 .
Emanuel, KA Akışkanlar Mekaniğinin Yıllık Değerlendirmesi, 23, 179-196 (1991)

[1] Junling Huang ve Michael B. McElroy (2015). “Küresel ısınma bağlamında atmosferin termodinamik dengesizliği” . İklim Dinamiği . 45 (11-12): 3513-3525. Bibcode : 2015ClDy..tmp … 98H . doi : 10.1007 / s00382-015-2553-x .

[2] Hertz, H., 1884, Graphische Methode zur Bestimmung der adiabatischen Zustandsanderungen feuchter Luft. Meteor Ztschr, cilt. 1, sayfa 421-431. Abbe, C. İngilizce çevirisi – Dünya atmosferinin mekaniği. Smithsonian Çeşitli Koleksiyonlar, 843, 1893, 198–211

[3] Zur Thermodynamik der Atmosphäre. Puan. I, II. Sitz. K. Preuss. Akad. VVissensch. Berlin, sayfa 485–522, 1189–1206; Gesammelte Abhandlugen, sayfa 91-144. İngilizce çeviri Abbe, C. Dünya atmosferinin mekaniği. Smithsonian Çeşitli Koleksiyonlar, no 843, 1893, 212–242.

[4] Junling Huang ve Michael B. McElroy (2014). “Hadley ve Ferrel Dolaşımlarının Son 32 Yılda Atmosfer Enerjisine Katkısı” . İklim Dergisi . 27 (7): 2656-266. Ürün kodu : 2014JCli … 27.2656H . doi : 10.1175 / jcli-d-13-00538.1 .

[5] Emanuel, KA Akışkanlar Mekaniğinin Yıllık Değerlendirmesi, 23, 179-196 (1991)