Термодина́мика атмосфе́ры — раздел физики атмосферы, посвящённый изучению процессов передачи и превращения тепла в работу (и наоборот) в атмосфере Земли в связи с изучением физики погодных явлений или климата на основе фундаментальных законов классической термодинамики[1]. Исследования в этой области необходимы для понимания свойств атмосферной турбулентности, конвекции, динамики планетарного пограничного слоя и его вертикальной устойчивости. Термодинамика атмосферы служит основой для моделирования процессов в облаках, используется при параметризации конвекции в численных моделях динамики атмосферы, прогноза погоды и теории климата. Термодинамические диаграммы применяются в качестве инструмента прогнозирования развития шторма. Термодинамика атмосферы является составной частью курса динамической метеорологии.
Физические процессы в ячейке Хэдли могут рассматриваться как результат работы атмосферной тепловой машины. Циркуляция в ячейке является результатом подъёма теплого и влажного воздуха в экваториальной области с его охлаждением и опусканием в субтропиках. Оценка термодинамического КПД такой тепловой машины в течение 1979~2010 годов [4] оказалась примерно постоянной, в среднем равной 2.6%. В то время как мощность, генерируемая ячейкой Хэдли, за тот же промежуток времени росла в среднем на 0,54 ТВТ в год, что явилось результатом наблюдаемой тенденции изменения температуры поверхности тропических морей.
Термодинамические процессы играют определяющую роль в развитии тропического циклона (урагана). Обычно, развитие урагана представляется как результат работы атмосферной тепловой машины, в которой воздух нагревается за счёт теплообмена с поверхностью океана, имеющей температуру около 300 К, поднимается в результате конвекции и охлаждается у тропопаузы, которая имеет температуру около 200 К. При этом важную роль играют фазовые переходы воды. На поверхности океана происходит интенсивное испарение. Тёплый, восходящий воздух при его подъёме расширяется и охлаждается. Достигнув точки росы, водяной пар конденсируется, формируя облака и ливневые осадки. Выделение скрытого тепла при конденсации обеспечивает приток энергии, поддерживающий механическую энергию урагана.
Термические условия в пограничном слое атмосферы оказывают существенное влияние на его динамику и являются причиной его временно́й и пространственной изменчивости. Теоретические модели, использующие уравнение теплопроводности (уравнение притока тепла), уравнение состояния идеального газа, уравнение диффузии водяного пара лежат в основе теории анализа процессов, протекающих в пограничном слое[5], в мезометеорологии[6]. Теория (по крайней мере качественно) моделирует такие явления, как суточный ход параметров состояния атмосферы, бризы, влияние неоднородности подстилающей поверхности, орографические эффекты (горно-долинные ветры, ледниковые ветры, местные ветры: фен, бора, и др.), адвективные туманы. Исследования влияния термической стратификации на турбулентные потоки используются при численном моделировании процесса рассеяния примесей в атмосфере[7].
| Это заготовка статьи о метеорологии. Вы можете помочь проекту, дополнив её. |
Термодинамика атмосферы.
