Atmosferik termodinamik

Atmosferik termodinamik, dünya üzerindeki ısının, iklim veya hava koşulları dahilinde işe dönüşmesini inceleyen alandır. Klasik termodinamikin kurallarını takip eden atmosferik termodinamik nemli hava,bulutların oluşumu, astronomik conveksiyon, sınır tabakası meteorolojisi,ve atmosferdeki dikey durağanlık gibi fenomenlerin üzerinde çalışır. Atmosferik termodinamik şemalarfırtına tahmin araçlarının geliştirilmesinde kullanılır. Atmosferik termodinamik Sayısal hava modellerinde bulut mikrofizik ve konveksiyon (iklim) parametrizasyonlara için bir temel teşkil eder ve pek çok iklimi göz önünde tutmak için kullanılır buna konvektif –denge iklimi modeli de dahil.

Genel bakış

Atmosfer dengede olmayan sistemlere bir örnektir.^[1] Atmosferik termodinamik suya ve onun dönüşümüne odaklanır.Çalışmanın alanı enerjinin korunmasını, ideal gaz kanununu, özgül ısı kapasitelerini, adyabatik süreçleri (ki bu entropikorunması) ve nemli adyabatik süreçleri içerir. Çoğu trofosferik gaz ideal gaz gibi davranır ve suyun kaynaması havanın en önemli iz bileşeni olarak düşünülebilir.

İlerleyen başlıklarda suyun faz geçişi, homojen ve heterojen çekirdek, çözülmeyen maddelerin etkisi bulut yoğunlaşması, buz kristalleri ve bulut damlacıklarında aşırı doymuşluğun rolünü anlatır. Nemli hava ve bulut teorileri düşünüldüğünde sıklıkla çeşitli sıcaklıklar, mesela eşdeğer potansiyel sıcaklıklar, ıslak termometre ve gerçek sıcaklıkları içerir. Bağlı alanlar enerji, momentum ve kütle geçişi, hava parçacıkları ve bulutlar arasında türbülans etkileşimi, konveksiyon, tropik kasırgalar dinamikleri ve atmosferin büyük ölçekli dinamiğidir.

Atmosferik termodinamiğin önemli rolü hava parsel üzerinde etkili adyabatik ve diabatic güçlerin hava hareketi ilkel denklemlerde yer ya ızgara çözülmesi veya subgrid parametrizasyonlara cinsinden ifade edilmesidir. Bu eşitlikler sayısal havanın ve iklim tahminlerinin temelidir.

Tarihi

19 yüz yılın başlarında termodinamikçiler Sadi Carnot, Rudolf Clausius ve Émile Clapeyron akışkan bedenlerin dinamiği ve kaynamaları, yanma ve basınç döngüsüyle ilişkili olan matematik modeli geliştirdiler. Mesela; Clausius–Clapeyron denklemi. 1873'te, termokimyacı Willard Gibbs "Akışkanları termodinemiğinde grafik methodlarını" yayınladı.

Termodinamik diagramı 19. yüzyılda geliştirildi günümüzde hala mevcut durumdaki potansiyel enerjiyi ya da havanın durağanlığını hesaplamak için kullanılmaktadır.

Bu tarz kurumlar Atmosferik termodinamiğin teorik modellerin geliştirilmesine yönelik uygulamaya başlayacaktı bu da doğal olarak en iyi beyinlerin dikkatini çekecekti. Atmosferik termodinamik 1860'larda kuru ve nemliyi tedavi için bulunduısı iletmeyen süreçler. 1884'te Heinrich Hertz ilk atmosferik termodinamik diagramını icat etti (emagram).^[2] Pseudo-ısı iletmeyen süreç von Bezold tarafından icat edildi, ayrıca havayı genişleyen,yükselen,soğuyan olarak tanımladı.1888'de üzerinde çalıştığı "Atmosferin Termodinamiği"’ni yayınladı.^[3]

1911’de von Alfred Wegener "Thermodynamik der Atmosphäre"’i yayınladı, Leipzig, J. A. Barth. Bilimin bir kolu olarak gelişen atmosferik termodinamik bundan sonra çürümeye başlamıştı. Frank W. Very’nin 1919 yayınladığı "Atmosferik termodinamik" terimi takip edilebildi: "Astronomik termodinamik açısından dünyanın radyant özellikleri" (Westwood Astrofizik Rasathanesi'nin Rastlantısal Bilimsel Makalesi). Konu 1970'lerin ders kitaplarında görünmeye başladı. Bugün, atmosferik termodinamik hava tahmini ayrılmaz bir parçasıdır.

Kronoloji

1751: Charles Le Roy havanın doygunluk noktasının çiy noktası sıcaklığı olduğunu fark etti
1782: Jacques Charles hidrojen balonunu icat etti ve ölçülebilen sıcaklık ve basınçta Paris'te uçtu
1784: önerilen yükseklikle birlikte sıcaklık değişimi kavramı
1801-1803: John Dalton, buhar basıncı kanunu geliştirdi
1804: Joseph Louis Gay-Lussac havayı incelemek için balonla çıkış yaptı
1805: Pierre Simon Laplace yüksekliğe bağlı olarak değişen basınçlar kanunu geliştirdi
1841: James Pollard Espy siklon enerjinin convection teorisi üzerine kağıtlar yayınladı
1889: Hermann von Helmholtz and John William von Bezold içerik olarak potansiyel sıcaklığı kullandı, von Bezold adyabatik lapse oranını ve pseudoadiabatı kullandı
1893: Richard Asman constructs first aerological sonde (pressure-temperature-humidity)
1894: John Wilhelm von Bezold eş değer sıcaklığı kullandı
1926: Sir Napier Shaw tepigramı tanıttı
1933: Tor Bergeron published paper on "Bulutlar için fizik ve Yağış"'ta süper soğumayla yağışı tanımlar (su damlalarının varlığı yüzünden buz kristallerindeki yoğunlaşarak büyüme)
1946: Vincent J. Schaeffer and Irving Langmuir ilk bulut tohumlama deneyini yaptılar
1986: K. Emanuel tropikal siklon olarak carnot ısı motorunu kavramsallaştırmıştır

Uygulamaları

Hadley Döngüsü

Hadley Döngüsü ısı motoru olarak düşünülebilir.^[4] Hadley döngüsü identified yükselen sıcak ve equatorialdaki nemli havayla karşılaşan soğuk havanın sikülasyona girmesi ve birlikte net bir kinetik enerjiye ulaşmaları olarak tanımlanır. Hadley sistemi termodinamiğin verimi, ısı moturu olarak düşünülebilir, üzerinde nispeten sabit olmuştur. 1979~2010 periyodu, ortalama 2.6%,aralığı boyunca, Hadley rejimi tarafından üretilen güç yıl başına yaklaşık 0.54 TW ortalama oranında arttı; Bu tropikal deniz yüzeyi sıcaklıkları gözlenen eğilim ile tutarlı sisteme enerji girdisi bir artış yansıtmaktadır.

Tropikal siklon Carnot döngüsü

Kasırganın termodinamik yapısı ısı motoru olarak modellenebilir^[5] running between sea temperature of about 300 K and tropopause which has temperature of about 200K. Yüzeye yakın yolculuk havanın parseller hava genleşir artan nem ve sıcak sürebilir ve yoğunlaşma sırasında nem (yağmur) serbest görünmesini sağlar. Yoğunlaşma sırasında gizli ısı enerjisinin serbest bırakılması kasırga mekanik enerjisini sağlar. Hem üst troposferde azalan sıcaklık veya kasırgalar hem de maksimum rüzgarları artacak yüzeye yakın atmosferin giderek artan sıcaklığıyla. Kasırga dinamiklerine uygulandığında bir Carnot ısı motoru çevrimini tanımlar ve maksimum kasırga yoğunluğunu tahmin ediyor.

Suyun kaynaması ve küresel iklim değişikliği

Clausius–Clapeyron ilişkisi atmosferin su tutma kapasitesinin sıcaklıkla %8 C nasıl arttığını gösterir. (doğrudan basınç ya da yoğunluk gibi parametrelere bağlı değildir.) Su tutma kapasitesi ya da "denge buhar basıncı", August-Roche-Magnus formülü kullanılarak yaklaştırılabilir.

e_{s}(T)=6.1094\exp \left({\frac {17.625T}{T+243.04}}\right)

(where $e_{s}(T)$ is the equilibrium or saturation vapor pressure in hPa, and $T$ is temperature in degrees Celsius). Bu atmosferik sıcaklığın yükseldiğinde (örnek olarak sera gazları) üstel olarak mutlak nemin de yükselmesi gerektiğini gösterir (sabit olarak varsayarsak göreceli nem). Ama, bu saf termodinamik argümanı üzerinde düşünülecek bir tartışma konusudur çünkü convective süreç nedeniyle artan alanlarına yoğun kurutma neden olabilir.

subsidence, yağış verimliliği konveksiyon yoğunluğu etkilenebilir olabilir ve bulut yoğunluğuve bu da göreceli nemle ilişkilidir.^[]

Ayrıca

Atmosferik sıcaklık
Kimyasal termodinamik
Bulut fiziği
Denge termodinamiği
Akışkanlar dinamiği
Dengede olmayan termodinamik
Termodinamik

Özel başlıklar

Lorenz, E. N., 1955, Available potential energy and the maintenance of the general circulation, Tellus, 7, 157-167.
Emanuel, K, 1986, Part I. An air-sea interaction theory for tropical cyclones, J. Atmos. Sci. 43, 585, (energy cycle of the mature hurricane has been idealized here as Carnot engine that converts heat energy extracted from the ocean to mechanical energy).

Kaynakça

^ Junling Huang and Michael B. McElroy (2015). "atmosferin termodinamik dengesizliği küresel ısınma bağlamındadır". Climate Dynamics. doi:10.1007/s00382-015-2553-x. 18 Ekim 2015 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 19 Mayıs 2015.
^ Hertz, H., 1884, Graphische Methode zur Bestimmung der adiabatischen Zustandsanderungen feuchter Luft. Meteor Ztschr, vol. 1, pp. 421-431. English translation by Abbe, C. – Dünya atmosferinin mekaniği. 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.
^ Junling Huang and Michael B. McElroy (2014). "Contributions of the Hadley and Ferrel Circulations to the Energetics of the Atmosphere over the Past 32 Years". Journal of Climate. 27 (7). ss. 2656-2666. doi:10.1175/jcli-d-13-00538.1. 30 Mart 2015 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 19 Mayıs 2015.
^ Emanuel, K. A. Annual Review of Fluid Mechanics, 23, 179-196 (1991)

Dahası

Bohren, C.F., and B. Albrecht (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).
Petty, G.W., A First Course in Atmospheric Thermodynamics, Sundog Publishing, Madison, Wisconsin, ISBN 978-0-9729033-2-5 (undergraduate textbook).
Tsonis, Anastasios, 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.