Atmosfærisk termodynamikk

Atmosfærisk termodynamikk er studiet av varme- og energitransformasjoner i en atmosfære. Her følges de samme lovene som i klassisk termodynamikk, og disse kan brukes til å beskrive fenomener som vanndampinnholdet i luften, skydannelse, atmosfærisk konveksjon, grenselagsmeteorologi og vertikal stabilitet i atmosfæren. Værvarslere kan bruke termodynamiske diagrammer til å varsle utviklingen av lavtrykk. Atmosfærisk termodynamikk danner grunnlaget for parameterisering av mikrofysikk i skyer og konveksjon i numeriske værmodeller, og blir også brukt i klimamodeller.

Oversikt

Atmosfæriske termodynamikk fokuserer på vann og transformasjon av dette, og inkluderer loven for energikonservering, den ideelle gassloven, spesifikk varmekapasitet og adiabatiske prosesser. De fleste gassene i troposfæren blir håndtert som ideelle gasser, og vanndamp er regnet for å være den viktigste av dem.

I tillegg omhandler faget faseovergangene til vann, homogene og inhomogene kjerner for skydannelse og rollen overmetning spiller i dannelsen av iskrystaller og skydråper. Det brukes forskjellige typer temperatur, som ekvivalent potensiell temperatur, wet-bulb og virtuell temperatur, innenfor skyfysikk og til å estimere vanndampinnhold. Andre områder som er knyttet til atmosfærisk termodynamikk er transport av energi, moment og masse, turbulens, konveksjon, dynamikk i tropiske sykloner og storskalabevegelser i atmosfæren.

Den store og viktige rollen atmosfærisk termodynamikk har er uttrykt i de adiabatiske og diabatiske kreftene som virker på en luftpakke i de primitive ligningene. Disse ligningene danner grunnlaget for numerisk værvarsling og klimavarsling.

Historie

Termodynamiske diagrammer utviklet i det 19. århundre brukes fortsatt til å beregne størrelser som konvektiv tilgjengelig potensiell energi eller luftstabilitet.

Tidlig på 1800-tallet arbeidet termodynamikere som Sadi Carnot, Rudolf Clausius og Emile Clapeyron med å utvikle matematiske modeller som beskrev dynamikken i væsker og gasser i forbindelse med forbrenning og trykksykluser i atmosfæriske dampmaskiner. Et eksempel er Clausius-Clapeyron ligningen. I 1873 publiserte termodynamikeren Willard Gibbs «Graphical Methods in the Thermodynamics of Fluids».

Dette dannet grunnlaget for teorien bak atmosfærisk termodynamikk, og de første artiklene om temaet dukket opp på 1860-tallet og omhandlet emner som tørr- og fuktigadiabatiske prosesser. I 1884 laget Heinrich Hertz det første atmosfæriske termodynamiske diagrammet (emagram). Pseudo-adiabatiske prosesser ble først nevnt av von Bezold som beskrev luft som blir hevet, utvider seg, blir avkjølt og til slutt danner nedbør. I 1888 publiserte han arbeidet sitt «Om termodynamikken i atmosfæren»

I 1911 publiserte Alfred Wegener boka «Thermodynamik der Atmosphare», og fra dette tidspunktet utviklet den atmosfæriske termodynamikken seg til å bli en egen gren innen vitenskapen. I dag er atmosfærisk termodynamikk en svært viktig del av værvarsling.

Hendelser

• 1751 Charles Le Roy oppdaget duggpunkttemperaturen som det punktet der luft blir mettet.
• 1782 Jacques Charles laget hydrogenballonger og målte temperatur og trykk i Paris.
• 1784 Oppdagelsen av at temperaturen endrer seg med høyden.
• 1801-1803 John Dalton utvikler sine lover for trykk i damp.
• 1804 Joseph Louis Gay-Lussac studerte været ved hjelp av ballonger.
• 1805 Pierre Simon Laplace utviklet sin lov om at trykket varierer med høyden.
• 1841 James Pollard Espy publiserte en artikkel om konveksjon som en energikilde for sykloner.
• 1889 Hermann von Helmholtz og Johann Wilhelm von Bezold bruker konseptet potensiell temperatur, von Bezold bruker adiabatisk temperaturendring og pseudoadiabat.
• 1893 Richard Asman konstruerer den første sonden for å måle trykk, temperatur og fukt.
• 1894 John Wilhelm von Bezold bruker uttrykket ekvivalent temperatur.
• 1926 Napier Shaw introduserer tepigrammet.
• 1933 Tor Bergeron publiserer ein artikkel om «Skyfysikk og Nedbør».
• 1946 Vincent J. Schaeffer og Irving Langmuir gjorde de første forsøkene med å så skyer for å skape nedbør.
• 1986 K. Emanuel viser tropiske sykloner som en Carnot varmemotor.

Se også

• Termodynamikk
• Skyfysikk

Litteratur

• Hertz, H., 1884, Graphische Methode zur Bestimmung der adiabatischen Zustandsanderungen feuchter Luft. Meteor Ztschr, vol. 1, pp. 421-431. English translation by Abbe, C. – The mechanics of the earth's atmsphere. Smithsonian Miscellaneous Collections, 843, 1893, 198-211
• Zur Thermodynamik der Atmosphäre. Pts. I, II. Sitz. K. Preuss. Akad. Wissensch. Berlin, 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.
• Emanuel, K. A. Annual Review of Fluid Mechanics, 23, 179-196 (1991)
• Bohren, Craig, F. (1998). Atmospheric Thermodynamics. Oxford University Press. ISBN 0-19-509904-4.
• Curry, J.A. and P.J. Webster, 1999, Thermodynamics of Atmospheres and Oceans. Academic Press, London, 467 pp (textbook for graduates)
• Dufour, L. et, Van Mieghem, J. – Thermodynamique de l'Atmosphère, Institut Royal Meteorologique de Belgique, 1975. 278 pp (theoretical approach). First edition of this book – 1947.
• Emanuel, K.A.(1994): Atmospheric Convection, Oxford University Press. ISBN 0-19-506630-8 (thermodynamics of tropical cyclones).
• Iribarne, J.V. and Godson, W.L., Atmospheric thermodynamics, Dordrecht, Boston, Reidel (basic textbook).
• Tsonis, Anastoasios, A.; (2002). An Introduction to Atmospheric Thermodynamics. Cambridge University Press. ISBN 0-521-79676-8.
• von Alfred Wegener, Thermodynamik der Atmosphare, Leipzig, J. A. Barth, 1911, 331pp.
• Wilford Zdunkowski, Thermodynamics of the atmosphere: a course in theoretical meteorology, Cambridge, Cambridge University Press, 2004.