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.
- 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.
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.
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.
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].
- ↑ Термодинамика атмосферы — Метеорологический словарь. Архів оригіналу за 14 листопада 2016. Процитовано 26 лютого 2021. [Архівовано 2016-11-14 у Wayback Machine.]
- ↑ Hertz, H. Graphische Methode zur Bestimmung der adiabatischen Zustandsanderungen feuchter Luft.// Meteor. Ztschr., 1884, Vol. 1, pp. 421—431. English translation by Abbe, C. — The mechanics of the earth's atmosphere // Smithsonian Miscellaneous Collections, 1893, 843, pp. 198—211
- ↑ Bezold W. von Zur Thermodynamik der Atmosphäre. Pts. I, II. Sitz. K. Preuss. Akad. Wissensch. Berlin, 1888, pp. 485—522, 1189—1206; Gesammelte Abhandlugen, pp. 91-144. English translation Abbe, C. The mechanics of the earth's atmosphere. Smithsonian Miscellaneous Collections, no 843,1893, 212—242.
- ↑ Junling Huang; Michael B. McElroy. Contributions of the Hadley and Ferrel Circulations to the Energetics of the Atmosphere over the Past 32 Years // Journal of Climate[en] : journal. — 2014. — Vol. 27, no. 7 (2 October). — P. 2656—2666. — Bibcode:2014JCli...27.2656H. — DOI:10.1175/jcli-d-13-00538.1.
- ↑ Лайхтман Д. Л. Физика пограничного слоя атмосферы. Л.: Гидрометеорологическое издательство.—1970.—342 с.
- ↑ Гутман Л. Н. Введение в нелинейную теорию мезометеорологических процессов. Л.: Гидрометеорологическое издательство.—1969.—293 с.
- ↑ Берлянд М. Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы. Л.: Гидрометеорологическое издательство.—1975.—448 с.
- Вегенер А. Термодинаміка атмосфери. ОНТІ.-1935.-275 с.
- Славін І. А. Термодинаміка гроз. Л.: ЛВІКА ім. А. Ф. Можайского.-1969.-318 с.
- Доронін Ю. П. Основи термодинаміки атмосфери і океану. Л.: ЛГМІ.-1973.-92 с.
- Лоренц Е. Н. Природа і теорія загальної циркуляції атмосфери. Л.: Гідрометеоіздат.-1979.
- Кригель А. М. Питання термодинаміки турбулентної конвекції. // Журнал Технічної фізики.-2016.- 86.-Вип.11.-С.136-139.