الديناميكا الحرارية للغلاف الجوي

📅 آخر تحديث: ٣ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 5 صور
الموسوعة الحرة

الديناميكا الحرارية للغلاف الجوي هي دراسة تحولات الحرارة إلى شغل (وعكسها) التي تحدث في الغلاف الجوي للأرض وتتجلى في صورة طقس أو مناخ. تستخدم الديناميكا الحرارية للغلاف الجوي قوانين الديناميكا الحرارية الكلاسيكية لوصف وتفسير ظواهر مثل خصائص الهواء الرطب، وتكوّن السحب، والحمل الحراري في الغلاف الجوي، وأحوال الطقس في الطبقة الحدودية، وعدم الاستقرار الرأسي في الغلاف الجوي. تُستخدم مخططات الديناميكا الحرارية للغلاف الجوي كأدوات في التنبؤ بتطور العواصف. تُشكل الديناميكا الحرارية للغلاف الجوي أساسًا لفيزياء السحب الدقيقة ومعاملات الحمل الحراري المستخدمة في نماذج الطقس العددية، وتُستخدم في العديد من الاعتبارات المناخية، بما في ذلك نماذج مناخ التوازن الحراري.

ملخص

يُعد الغلاف الجوي مثالًا على نظام غير متوازن. [ 1 ] يصف علم الديناميكا الحرارية للغلاف الجوي تأثير قوى الطفو التي تُسبب صعود الهواء الأقل كثافة (الأكثر دفئًا)، وهبوط الهواء الأكثر كثافة، وتحول الماء من الحالة السائلة إلى الحالة البخارية (التبخر) ثم تكثفه. وتتأثر هذه الديناميكيات بقوة تدرج الضغط ، كما تتأثر الحركة بقوة كوريوليس . تشمل الأدوات المستخدمة قانون حفظ الطاقة، وقانون الغاز المثالي ، والسعات الحرارية النوعية، وافتراض العمليات متساوية الإنتروبيا (حيث تكون الإنتروبيا ثابتة)، والعمليات الأديباتية الرطبة (التي لا تنتقل خلالها أي طاقة على شكل حرارة). تُعامل معظم غازات التروبوسفير كغازات مثالية، ويُعتبر بخار الماء ، بقدرته على تغيير حالته من بخار إلى سائل إلى صلب وبالعكس، أحد أهم المكونات النزرة في الهواء.

تشمل المواضيع المتقدمة تحولات طور الماء، والتنوي المتجانس وغير المتجانس، وتأثير المواد المذابة على تكثف السحب، ودور التشبع الفائق في تكوين بلورات الجليد وقطرات السحب. وتتضمن دراسات الهواء الرطب ونظريات السحب عادةً درجات حرارة مختلفة، مثل درجة الحرارة الكامنة المكافئة، ودرجة حرارة البصيلة الرطبة، ودرجة الحرارة الافتراضية. وتشمل المجالات ذات الصلة انتقال الطاقة والزخم والكتلة ، وتفاعل الاضطراب بين جزيئات الهواء في السحب، والحمل الحراري، وديناميكيات الأعاصير المدارية، وديناميكيات الغلاف الجوي على نطاق واسع.

يتجلى الدور الرئيسي للديناميكا الحرارية للغلاف الجوي في القوى الأديباتية والدياباتية المؤثرة على كتل الهواء، والتي تُدرج في المعادلات الأساسية لحركة الهواء، سواءً كانت مُعاملات مُحَدَّدة على مستوى الشبكة أو على مستوى أجزاء منها. وتشكل هذه المعادلات أساسًا للتنبؤات العددية بالطقس والمناخ.

تاريخ

في أوائل القرن التاسع عشر، طوّر علماء الديناميكا الحرارية، مثل سادي كارنو ورودولف كلاوزيوس وإميل كلابيرون، نماذج رياضية حول ديناميكيات السوائل والأبخرة المرتبطة بدورات الاحتراق والضغط في محركات البخار الجوي؛ ومن الأمثلة على ذلك معادلة كلاوزيوس-كلابيرون . وفي عام 1873، نشر عالم الديناميكا الحرارية ويلارد جيبس ​​كتاب "الأساليب البيانية في الديناميكا الحرارية للسوائل".

لا يزال المخطط الديناميكي الحراري الذي تم تطويره في القرن التاسع عشر يستخدم لحساب كميات مثل طاقة الوضع المتاحة للحمل الحراري أو استقرار الهواء.

بدأت هذه الأسس تُطبَّق بشكل طبيعي في تطوير النماذج النظرية للديناميكا الحرارية للغلاف الجوي، مما استقطب اهتمام أبرز العقول. ظهرت أبحاثٌ حول الديناميكا الحرارية للغلاف الجوي في ستينيات القرن التاسع عشر، تناولت مواضيع مثل العمليات الأديباتية الجافة والرطبة . في عام ١٨٨٤، ابتكر هاينريش هيرتز أول مخطط للديناميكا الحرارية للغلاف الجوي ( مخطط إيما ). [ ٢ ] صاغ فون بيزولد مصطلح "العملية شبه الأديباتية " لوصف الهواء أثناء ارتفاعه وتمدده وتبريده، ثم تساقط بخار الماء منه في النهاية؛ وفي عام ١٨٨٨، نشر عملاً ضخماً بعنوان "حول الديناميكا الحرارية للغلاف الجوي". [ ٣ ]

في عام ١٩١١، نشر ألفريد فيجنر كتابًا بعنوان "الديناميكا الحرارية للغلاف الجوي" (Thermodynamik der Atmosphäre)، لايبزيغ، بقلم جيه إيه بارث. ومنذ ذلك الحين، بدأ علم الديناميكا الحرارية للغلاف الجوي كفرع من فروع العلم في التبلور. ويمكن تتبع مصطلح "الديناميكا الحرارية للغلاف الجوي" نفسه إلى منشور فرانك دبليو فيري عام ١٩١٩ بعنوان: "الخصائص الإشعاعية للأرض من منظور الديناميكا الحرارية للغلاف الجوي" (أوراق علمية متفرقة لمرصد ويستوود للفيزياء الفلكية). وبحلول أواخر سبعينيات القرن العشرين، بدأت تظهر العديد من الكتب الدراسية حول هذا الموضوع. واليوم، تُعد الديناميكا الحرارية للغلاف الجوي جزءًا لا يتجزأ من التنبؤات الجوية.

التسلسل الزمني

  • في عام 1751، أقر تشارلز لو روي بأن درجة حرارة نقطة الندى هي نقطة تشبع الهواء
  • في عام 1782، قام جاك شارل برحلة منطاد الهيدروجين لقياس درجة الحرارة والضغط في باريس
  • تم اقتراح مفهوم تغير درجة الحرارة مع الارتفاع في عام 1784
  • 1801-1803 قام جون دالتون بتطوير قوانينه الخاصة بضغوط الأبخرة.
  • في عام 1804، قام جوزيف لويس جاي لوساك برحلة بالمنطاد لدراسة الطقس
  • في عام 1805، وضع بيير سيمون لابلاس قانونه الخاص بتغير الضغط مع الارتفاع
  • في عام 1841، نشر جيمس بولارد إيسبي ورقة بحثية حول نظرية الحمل الحراري لطاقة الأعاصير.
  • في عام 1856، قدم ويليام فيريل عرضًا للديناميكيات المسببة للرياح الغربية
  • في عام 1889، استخدم هيرمان فون هيلمهولتز وجون ويليام فون بيزولد مفهوم درجة الحرارة الكامنة، واستخدم فون بيزولد معدل التدرج الحراري الأديباتي وشبه الأديباتي
  • 1893 قام ريتشارد أسمان ببناء أول مسبار جوي (الضغط ودرجة الحرارة والرطوبة).
  • 1894 استخدم جون فيلهلم فون بيزولد مفهوم درجة الحرارة المكافئة
  • في عام 1926، قدم السير نابيير شو التيفيجرام
  • في عام 1933، نشر تور بيرجيرون ورقة بحثية بعنوان "فيزياء السحب والهطول" تصف الهطول من الجليد فائق التبريد (بسبب النمو التكثيفي لبلورات الجليد في وجود قطرات الماء).
  • في عام 1946، أجرى فينسنت جيه. شيفر وإيرفينغ لانغمير أول تجربة لتلقيح السحب
  • في عام 1986، وضع ك. إيمانويل تصورًا للإعصار المداري باعتباره محركًا حراريًا من نوع كارنو

التطبيقات

تداول هادلي

يمكن اعتبار دورة هادلي بمثابة محرك حراري. [ 4 ] تتميز دورة هادلي بصعود الهواء الدافئ الرطب في المنطقة الاستوائية وهبوط الهواء البارد في المناطق شبه الاستوائية، مما يُشكل دورة مباشرة مدفوعة حراريًا، وينتج عنها إنتاج صافٍ للطاقة الحركية. وقد ظلت الكفاءة الديناميكية الحرارية لنظام هادلي، باعتباره محركًا حراريًا، ثابتة نسبيًا خلال الفترة من 1979 إلى 2010، بمتوسط ​​2.6%. وخلال الفترة نفسها، ارتفعت الطاقة المولدة بواسطة نظام هادلي بمعدل متوسط ​​يبلغ حوالي 0.54 تيراواط سنويًا؛ وهذا يعكس زيادة في مدخلات الطاقة إلى النظام، بما يتوافق مع الاتجاه الملحوظ في درجات حرارة سطح البحر الاستوائية .

دورة كارنو للأعاصير المدارية

يترطب الهواء أثناء انتقاله نحو نظام الحمل الحراري. وتؤدي الحركة الصاعدة في مركز الحمل الحراري العميق إلى تمدد الهواء وتبريده وتكثيفه. ويتجه التدفق الخارجي في الطبقات العليا، والذي يظهر على شكل سحابة سندان، نحو الأسفل في نهاية المطاف محافظًا على كتلته (رسم توضيحي - روبرت سيمونز).

يمكن نمذجة السلوك الديناميكي الحراري للإعصار كمحرك حراري [ 5 ] يعمل بين خزان حرارة البحر عند درجة حرارة تقارب 300 كلفن (27  درجة مئوية) ومصرف حرارة التروبوبوز عند درجة حرارة تقارب 200 كلفن (-72  درجة مئوية)، ويحول خلال هذه العملية الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية للرياح. تمتص كتل الهواء التي تتحرك بالقرب من سطح البحر الحرارة وبخار الماء، فيرتفع الهواء الدافئ ويتمدد ويبرد أثناء ذلك، مما يؤدي إلى التكثف والهطول. ينتج عن الهواء الصاعد والتكثف رياح دائرية مدفوعة بقوة كوريوليس ، والتي بدورها تُثير الأمواج وتزيد من كمية الهواء الدافئ الرطب الذي يُغذي الإعصار. يؤدي كل من انخفاض درجة الحرارة في طبقة التروبوسفير العليا أو ارتفاع درجة حرارة الغلاف الجوي بالقرب من السطح إلى زيادة أقصى سرعة للرياح التي تُلاحظ في الأعاصير. عند تطبيقها على ديناميكيات الأعاصير، فإنها تحدد دورة محرك حراري كارنو وتتنبأ بأقصى شدة للإعصار.

بخار الماء وتغير المناخ العالمي

توضح علاقة كلاوزيوس -كلابيرون كيف تزداد قدرة الغلاف الجوي على الاحتفاظ بالماء بنسبة 8% تقريبًا لكل درجة مئوية زيادة في درجة الحرارة . (وهي لا تعتمد بشكل مباشر على معايير أخرى مثل الضغط أو الكثافة ). ويمكن تقريب هذه القدرة على الاحتفاظ بالماء، أو " ضغط بخار التوازن "، باستخدام صيغة أوغست-روش-ماغنوس.

هـs(تي)=6.1094خبرة⁡(17.625تيتي+243.04){\displaystyle e_{s}(T)=6.1094\exp \left({\frac {17.625T}{T+243.04}}\right)}

(أينهـs(تي){\displaystyle e_{s}(T)}يمثل ضغط بخار التوازن أو التشبع بوحدة هيكتوباسكال ، وتي{\displaystyle T}(درجة الحرارة بالدرجات المئوية). يُظهر هذا أنه عند ارتفاع درجة حرارة الغلاف الجوي (مثلاً، بسبب غازات الاحتباس الحراري ) ، يجب أن تزداد الرطوبة المطلقة بشكل كبير (بافتراض ثبات الرطوبة النسبية ). مع ذلك، فإن هذه الحجة الديناميكية الحرارية البحتة محل جدل واسع، لأن عمليات الحمل الحراري قد تُسبب جفافًا واسع النطاق نتيجةً لزيادة مساحات الهبوط ، وقد تتأثر كفاءة الهطول بشدة الحمل الحراري، ولأن تكوّن السحب مرتبط بالرطوبة النسبية.

انظر أيضاً

مواضيع خاصة

  • لورنز، إي إن، 1955، الطاقة الكامنة المتاحة والحفاظ على الدوران العام، تيلوس، 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).

References

  1. ↑Junling Huang & Michael B. McElroy (2015). "Thermodynamic disequilibrium of the atmosphere in the context of global warming". Climate Dynamics. 45 (11–12): 3513–3525. Bibcode:2015ClDy...45.3513H. doi:10.1007/s00382-015-2553-x. S2CID 131679473.
  2. ↑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 atmosphere. Smithsonian Miscellaneous Collections, 843, 1893, 198–211
  3. ↑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.
  4. ↑Junling Huang & 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): 2656–2666. Bibcode:2014JCli...27.2656H. doi:10.1175/jcli-d-13-00538.1. S2CID 131132431.
  5. ↑Emanuel, K. A. Annual Review of Fluid Mechanics, 23, 179–196 (1991)

Further reading

  1. Bohren, C.F. & B. Albrecht (1998). Atmospheric Thermodynamics. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-509904-1.
  2. Curry, J.A. and P.J. Webster, 1999, Thermodynamics of Atmospheres and Oceans. Academic Press, London, 467 pp (textbook for graduates)
  3. 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.
  4. Emanuel, K.A.(1994): Atmospheric Convection, Oxford University Press. ISBN 0-19-506630-8 (thermodynamics of tropical cyclones).
  5. Iribarne, J.V. and Godson, W.L., Atmospheric thermodynamics, Dordrecht, Boston, Reidel (basic textbook).
  6. Petty, G.W., A First Course in Atmospheric Thermodynamics, Sundog Publishing, Madison, Wisconsin, ISBN 978-0-9729033-2-5 (undergraduate textbook).
  7. تسونيس أناستاسيوس، أ. (2002). مقدمة في الديناميكا الحرارية للغلاف الجوي . مطبعة جامعة كامبريدج. ISBN 978-0-521-79676-7.
  8. فون ألفريد فيجنر، Thermodynamik der Atmosphare، Leipzig، JA Barth، 1911، 331pp.
  9. ويلفورد زدونكوفسكي، الديناميكا الحرارية للغلاف الجوي: دورة في علم الأرصاد الجوية النظري، كامبريدج، مطبعة جامعة كامبريدج، 2004.
  10. Krigel, AM, On the Thermodynamics of Turbulent Convection, Technical Physics, 2016, Vol.61, No.11, pp. 1740-1743.