Адиабатические процессы в атмосфере
Адиабатическим называется такой термодинамический процесс, при котором не происходит теплообмена между рассматриваемым объемом воздуха и окружающей средой. В атмосфере это условие часто выполняется при быстром вертикальном перемещении воздуха: скорость подъема или опускания оказывается достаточно высокой, чтобы теплообмен с окружающими слоями был пренебрежимо малым.
Сухая адиабата
Если восходящий или нисходящий воздух не содержит конденсированной влаги и весь водяной пар находится в парообразном состоянии, то такой процесс называют сухоадиабатическим. В этом случае температура воздуха изменяется по сухоадиабатическому градиенту, который в нижних слоях атмосферы составляет:
$$ \Gamma_d = \left( \frac{g}{c_p} \right) \approx 9.8\,\text{К}/\text{км} $$
где
При подъеме воздух расширяется, выполняя работу против внешнего давления, и его температура понижается. При опускании, наоборот, воздух сжимается, и температура повышается.
Влажная адиабата
При подъеме насыщенного водяным паром воздуха рано или поздно наступает точка насыщения, после чего начинается конденсация водяного пара. При этом выделяется скрытая теплота парообразования, частично компенсирующая понижение температуры, связанное с расширением. Таким образом, температура при дальнейшем подъеме уменьшается медленнее, чем по сухой адиабате. Градиент температуры называется влажноадиабатическим и составляет:
Γw < Γd
Точное значение влажноадиабатического градиента зависит от температуры и давления, но обычно оно находится в пределах от 4 до 7 К/км. Таким образом, влажный воздух охлаждается при подъеме значительно медленнее, чем сухой.
Изотермический процесс
Изотермическим называется процесс, при котором температура воздуха остается постоянной. В атмосфере такой процесс возможен лишь в условиях интенсивного теплообмена с окружающей средой, например, при медленном восходящем движении воздуха, когда его температура успевает выравниваться с температурой окружающей среды.
Изотермический процесс описывается уравнением:
pV = const
или
$$ \frac{p}{\rho} = \text{const} $$
где p — давление, V — объем, ρ — плотность.
При изотермическом подъеме воздух расширяется и давление уменьшается, но температура остается неизменной, что требует постоянного притока или отвода тепла, чего в реальной атмосфере практически не бывает. Поэтому изотермические процессы играют ограниченную роль и рассматриваются чаще как теоретическая модель.
Изобарный процесс
В изобарном процессе давление воздуха остается постоянным, при этом возможны изменения температуры и объема. Такой процесс возможен, например, при горизонтальном перемещении воздушных масс в пределах одного слоя атмосферы, где градиенты давления невелики.
Уравнение для изобарного процесса:
$$ \frac{V}{T} = \text{const} $$
или
$$ \frac{\rho}{T} = \text{const} $$
где T — температура.
Изобарные процессы широко используются при анализе атмосферных трансформаций, таких как нагревание воздуха над сушей или охлаждение над морем, где давление остается практически постоянным, но температура и плотность изменяются.
Изохорный процесс
Изохорным называется процесс при постоянном объеме, то есть без изменения плотности. В атмосфере такой процесс возможен только при очень ограниченных условиях, например, в лабораторных моделях или замкнутых объемах. В естественной атмосфере объем и плотность воздуха изменяются при любом вертикальном движении, поэтому изохорный процесс используется преимущественно в теоретических моделях.
При изохорном процессе:
$$ \frac{p}{T} = \text{const} $$
Политропический процесс
Политропой называется термодинамический процесс, описываемый обобщенным уравнением:
pVn = const
где n — политропический показатель. При различных значениях n политропный процесс описывает:
Политропы полезны тем, что позволяют описывать реальные процессы в атмосфере, которые не являются строго адиабатическими или изотермическими, но занимают промежуточное положение.
Псевдоадиабатический процесс
Влажный воздух при подъеме и конденсации теряет конденсат, который выпадает в виде осадков. Если считать, что сконденсировавшаяся влага немедленно удаляется из восходящего потока, то получаем псевдоадиабатический процесс. Он близок к влажной адиабате, но тепловой баланс отличается: вся скрытая теплота остается в воздухе, а жидкая вода — нет.
Псевдоадиабаты часто используются в моделях атмосферной конвекции, поскольку более реалистично отражают поведение восходящих потоков в облаках.
Потенциальная температура
Потенциальной температурой θ называют температуру, которую имел бы данный объем воздуха, если бы его адиабатически привели к уровню стандартного давления p0 = 1000 гПа. Это важная характеристика для оценки устойчивости атмосферы и сравнительной теплоты воздушных масс.
$$ \theta = T \left( \frac{p_0}{p} \right)^{R/c_p} $$
где
Потенциальная температура сохраняется при адиабатических процессах, и ее вертикальный градиент указывает на степень устойчивости атмосферы.
Энтропия и адиабаты
Энтропия s в атмосфере — мера теплового состояния воздушной массы. В сухоадиабатическом процессе энтропия остается постоянной. При этом линии постоянной потенциальной температуры на диаграммах являются также линиями постоянной энтропии. Это позволяет использовать изолинии θ для анализа устойчивости и структуры атмосферы.
Тепловые машины в атмосфере
Атмосферные циркуляции можно рассматривать как особого рода тепловые машины, преобразующие теплоту, получаемую от Солнца, в механическую энергию движения воздуха. При этом термодинамические циклы (например, цикл Карно) становятся полезными для описания максимально возможной эффективности таких процессов.
Энергетический баланс атмосферы, определяемый соотношением между притоком солнечной радиации, теплообменом, работой расширения и сжимаемости, — ключевой элемент в понимании глобальной циркуляции и формирования климатических зон.