Atmosfærisk termodynamikk

Atmosfærisk termodynamikk er studiet av varme- og energitransformasjonar i ein atmosfære. Her følgjer ein dei same lovene som i klassisk termodynamikk, og desse kan brukast til å skildre fenomen som vassdampinnhaldet i lufta, skydanning, atmosfærisk konveksjon, grenselagsmeteorologi og vertikal stabilitet i atmosfæren. Vêrvarsel kan bruke termodynamiske diagram til å varsle utviklinga av lågtrykk. Atmosfærisk termodynamikk dannar grunnlaget for parameterisering av mikrofysikk i skyer og konveksjon i numeriske vêrmodellar, og blir òg brukt i klimamodellar.

Oversikt

Atmosfæriske termodynamikk fokuserer på vatn og transformasjon av dette, og inkluderer lova for energikonservering, den ideelle gasslova, spesifikk varmekapasitet og adiabatiske prosessar. Dei fleste gassane i troposfæren blir handsama som ideelle gassar, og vassdamp er rekna for å vere den viktigaste av dei.

I tillegg omhandlar faget faseovergangane til vatn, homogene og inhomogene kjernar for skydanning og rolla overmetting spelar i danninga av iskrystallar og skydropar. Ein brukar forskjellige typar temperatur, som ekvivalent potensiell temperatur, wet-bulb og virtuell temperatur, innanfor skyfysikk og til å estimere vassdampinnhald. Andre område som er knytte til atmosfærisk termodynamikk er transport av energi, momentum og masse, turbulens, konveksjon, dynamikk i tropiske syklonar og storskala rørsler i atmosfæren.

Den store og viktige rolla atmosfærisk termodynamikk har er uttrykt i dei adiabatiske og diabatiske kreftene som virkar på ein luftpakke i dei primitive likningane. Desse likningane dannar grunnlaget for numerisk vêrvarsling og klimavarsling.

Historie

Tidleg på 1800-talet arbeida termodynamikarar som Sadi Carnot, Rudolf Clausius og Emile Clapeyron med å utvikle matematiske modellar som skildra dynamikken i væsker og gassar i samband med forbrenning og trykksyklusar i atmosfæriske dampmaskinar. Eit døme er Clausius-Clapeyron likninga. I 1873 publiserte termodynamikaren Willard Gibbs «Graphical Methods in the Thermodynamics of Fluids».

Dette danna grunnlaget for teorien bak atmosfærisk termodynamikk, og dei første artiklane om temaet dukka på på 1860-talet og omhandla emne som tørr- og fuktigadiabatiske prosessar. I 1884 laga Heinrich Hertz det første atmosfæriske termodynamiske diagrammet (emagram). Pseudo-adiabatiske prosessar blei først nemnd av von Bezold som skildra luft som blir heva, utvidar seg, blir avkjølt og til slutt dannar nedbør. I 1888 publiserte han arbeidet sitt «Om termodynamikken i atmosfæren»

I 1911 publiserte Alfred Wegener boka «Thermodynamik der Atmosphare», og frå dette tidspunktet utvikla den atmosfæriske termodynamikken seg til å bli ei eiga grein innan vitskapen. I dag er atmosfærisk termodynamikk ein svært viktig del av vêrvarsling.

Hendingar

• 1751 Charles Le Roy oppdaga doggpunkttemperaturen som det punktet der luft blir metta.
• 1782 Jacques Charles laga hydrogenballongar og målte temperatur og trykk i Paris.
• 1784 Oppdaginga av at temperaturen endrar seg med høgda.
• 1801-1803 John Dalton utviklar sine lover for trykk i damp.
• 1804 Joseph Luis Guy-Lussac studerte vêret ved hjelp av ballongar.
• 1805 Pierre Simon Laplace utvikla si lov om at trykket varierer med høgda.
• 1841 James Pollard Espy publiserte ein artikkel om konveksjon som ei energikjelde for syklonar.
• 1889 Herman von Helmholtz og John William 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 utrykket ekvivalent temperatur.
• 1926 Sir Napier Shaw introduserer tepigrammet.
• 1933 Tor Bergeron publiserer ein artikkel om «Skyfysikk og Nedbør».
• 1946 Vincent J. Schaeffer og Irving Langmuir gjorde dei første forsøka med å så skyer for å skape nedbør.
• 1986 K. Emanuel viser tropiske syklonar som ein Carnot varmemotor.

Sjå òg

• Termodynamikk
• Biologisk termodynamikk
• Termodynamikk i svarte hol
• Kjemisk termodynamikk
• Skyfysikk
• Likevektstermodynamikk
• Statistisk termodynamikk
• Termoøkonomi

Referansar

• 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.