Температура, давление и плотность — фундаментальные параметры, определяющие состояние воздуха в атмосфере. В атмосфере Земли давление убывает с высотой, а температура изменяется в зависимости от слоя: в тропосфере она убывает, в стратосфере — возрастает, в мезосфере — снова убывает, а в термосфере — резко увеличивается. Эти градиенты обусловлены радиационным балансом, поглощением и излучением энергии различными компонентами атмосферы, а также движением воздушных масс.
Закон состояния идеального газа применим к воздуху с высокой точностью в подавляющем большинстве случаев:
$$ p = \rho R T $$
где $p$ — давление, $\rho$ — плотность воздуха, $R$ — удельная газовая постоянная, $T$ — температура.
Скорость изменения температуры с высотой в атмосфере называется температурным градиентом. При адиабатическом подъёме или опускании воздушной массы температура изменяется без теплообмена с окружающей средой. Это приводит к формированию адиабат — кривых на диаграммах состояния воздуха, по которым движется воздух при вертикальном перемещении.
Сухоадиабатический градиент температуры:
$$ \Gamma_d = -\left(\frac{dT}{dz}\right) = \frac{g}{c_p} $$
где $g$ — ускорение свободного падения, $c_p$ — удельная теплоёмкость при постоянном давлении. Для сухого воздуха $\Gamma_d \approx 9.8\ \mathrm{K/km}$.
Влажная адиабата отличается от сухой из-за фазового перехода водяного пара. При конденсации выделяется скрытая теплота, поэтому влажный адиабатический градиент ниже сухого — порядка $4{-}7\ \mathrm{K/km}$, в зависимости от температуры и содержания водяного пара.
Статика атмосферы определяется сравнением реального температурного градиента с адиабатическими. Атмосфера считается:
Это имеет ключевое значение для возникновения конвективных процессов — подъёма тёплого воздуха и образования облаков и осадков.
Энергия в атмосфере переносится тремя основными способами: излучением, конвекцией и теплопроводностью. Последняя играет наименьшую роль.
Радиационный перенос регулируется законами Плана, Стефана–Больцмана и Кирхгофа. Поверхность Земли поглощает солнечную радиацию и излучает инфракрасную. Атмосфера частично поглощает и переизлучает энергию, образуя так называемый парниковый эффект. Основные парниковые газы — водяной пар, углекислый газ, метан, озон.
Конвективный перенос играет ключевую роль в тропосфере. Подъём прогретого воздуха вызывает охлаждение, конденсацию водяного пара и формирование облаков. Энергия, заключённая в фазовых переходах воды, — главный фактор в термодинамике осадков и циклонической активности.
Водяной пар — важнейший компонент атмосферы с точки зрения термодинамики. Основные параметры:
Фазовые переходы — испарение, конденсация, сублимация, замерзание — сопровождаются выделением или поглощением скрытой теплоты, величина которой существенно влияет на устойчивость и развитие атмосферных процессов.
В атмосферной термодинамике важную роль играют энтальпия, энтропия и потенциальная температура:
Потенциальная температура:
$$ \theta = T \left( \frac{p_0}{p} \right)^{R/c_p} $$
где $p_0$ — стандартное давление. Эта величина инвариантна при адиабатических процессах и используется для оценки вертикальной устойчивости атмосферы.
Энтальпия $h = c_p T$ и энтропия $s$ — важные параметры для расчёта тепловых потоков.
Наиболее часто используются диаграммы состояния:
Они позволяют визуализировать состояние воздушной массы, оценивать условия насыщения, высоту конденсации, наличие устойчивых и неустойчивых слоёв, уровень свободной конвекции и т.д.
Фронты — это переходные зоны между воздушными массами с разными термодинамическими свойствами. В области фронтов происходит интенсивный тепло- и массоперенос. Теплые фронты характеризуются медленным подъёмом тёплого воздуха над холодным, холодные фронты — более резким и активным вторжением холодного воздуха под тёплый.
Циклоны представляют собой области пониженного давления, в которых теплый воздух поднимается вверх, охлаждается и формирует облачность и осадки. Термодинамические процессы в циклонах включают:
Циклоны — важный механизм глобального перераспределения тепла между тропиками и полюсами.
Энергетический баланс атмосферы включает в себя:
Любое нарушение этого баланса ведёт к изменениям климата. Так, увеличение концентрации парниковых газов усиливает поглощение инфракрасного излучения, что приводит к глобальному потеплению.
Океан и атмосфера взаимодействуют через тепломассообмен и участвуют в глобальных циклах: Эль-Ниньо, Северо-Атлантическое колебание и др. Эти процессы включают сложную термодинамику испарения, теплообмена и циркуляции водяного пара.
Климатические пояса определяются радиационным режимом и циркуляцией атмосферы:
Различия в термодинамическом режиме атмосферы над сушей и океаном также обусловлены тепловой инерцией воды, различием альбедо, испаряемостью и плотностью приземных слоёв.
Антропогенное воздействие приводит к нарушению термодинамического баланса атмосферы. Основные источники:
Эти факторы изменяют радиационный бюджет, структуру атмосферы и, как следствие, климатику планеты. Современные модели климатических изменений основаны на уравнениях термодинамики, гидродинамики и переноса излучения в атмосфере, и требуют учёта нелинейной обратной связи между температурой, облачностью, испарением и излучением.
Глобальная атмосферная циркуляция — результат различий в нагреве экватора и полюсов. Это приводит к формированию:
Воздушные потоки в этих ячейках переносят тепло от экватора к полюсам. Важную роль играет Кориолисова сила, вызывающая отклонение движущихся масс и формирование зональных ветров: пассатов, западных ветров умеренных широт и полярных восточных.
Эти процессы формируют термодинамическую структуру атмосферы и обеспечивают долгосрочную стабильность климатической системы при прочих равных условиях.