Atmosfærisk termodynamikk

Atmosfærisk termodynamikk er studiet av varme- og energitransformasjoner i en atmosfære. Her følges de samme lovene som i klassisk termodynamikk, og disse kan brukes til å beskrive fenomener som vanndampinnholdet i luften, skydannelse, atmosfærisk konveksjon, grenselagsmeteorologi og vertikal stabilitet i atmosfæren. Værvarslere kan bruke termodynamiske diagrammer til å varsle utviklingen av lavtrykk. Atmosfærisk termodynamikk danner grunnlaget for parameterisering av mikrofysikk i skyer og konveksjon i numeriske værmodeller, og blir også brukt i klimamodeller.

Oversikt
Atmosfæriske termodynamikk fokuserer på vann og transformasjon av dette, og inkluderer loven for energikonservering, den ideelle gassloven, spesifikk varmekapasitet og adiabatiske prosesser. De fleste gassene i troposfæren blir håndtert som ideelle gasser, og vanndamp er regnet for å være den viktigste av dem. 

I tillegg omhandler faget faseovergangene til vann, homogene og inhomogene kjerner for skydannelse og rollen overmetning spiller i dannelsen av iskrystaller og skydråper. Det brukes forskjellige typer temperatur, som ekvivalent potensiell temperatur, wet-bulb og virtuell temperatur, innenfor skyfysikk og til å estimere vanndampinnhold. Andre områder som er knyttet til atmosfærisk termodynamikk er transport av energi, moment og masse, turbulens, konveksjon, dynamikk i tropiske sykloner og storskalabevegelser i atmosfæren.

Den store og viktige rollen atmosfærisk termodynamikk har er uttrykt i de adiabatiske og diabatiske kreftene som virker på en luftpakke i de primitive ligningene. Disse ligningene danner grunnlaget for numerisk værvarsling og klimavarsling.

Historie

Tidlig på 1800-tallet arbeidet termodynamikere som Sadi Carnot, Rudolf Clausius og Emile Clapeyron med å utvikle matematiske modeller som beskrev dynamikken i væsker og gasser i forbindelse med forbrenning og trykksykluser i atmosfæriske dampmaskiner. Et eksempel er Clausius-Clapeyron ligningen. I 1873 publiserte termodynamikeren Willard Gibbs «Graphical Methods in the Thermodynamics of Fluids».  

Dette dannet grunnlaget for teorien bak atmosfærisk termodynamikk, og de første artiklene om temaet dukket opp på 1860-tallet og omhandlet emner som tørr- og fuktigadiabatiske prosesser. I 1884 laget Heinrich Hertz det første atmosfæriske termodynamiske diagrammet (emagram). Pseudo-adiabatiske prosesser ble først nevnt av von Bezold som beskrev luft som blir hevet, utvider seg, blir avkjølt og til slutt danner nedbør. I 1888 publiserte han arbeidet sitt «Om termodynamikken i atmosfæren»
 
I 1911 publiserte Alfred Wegener boka «Thermodynamik der Atmosphare», og fra dette tidspunktet utviklet den atmosfæriske termodynamikken seg til å bli en egen gren innen vitenskapen. I dag er atmosfærisk termodynamikk en svært viktig del av værvarsling.

Hendelser

1751 Charles Le Roy oppdaget duggpunkttemperaturen som det punktet der luft blir mettet.
1782 Jacques Charles laget hydrogenballonger og målte temperatur og trykk i Paris. 
1784 Oppdagelsen av at temperaturen endrer seg med høyden. 
1801-1803 John Dalton utvikler sine lover for trykk i damp.
1804 Joseph Louis Gay-Lussac studerte været ved hjelp av ballonger. 
1805 Pierre Simon Laplace utviklet sin lov om at trykket varierer med høyden. 
1841 James Pollard Espy publiserte en artikkel om konveksjon som en energikilde for sykloner. 
1889 Hermann von Helmholtz og Johann Wilhelm 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 uttrykket ekvivalent temperatur. 
1926 Napier Shaw introduserer tepigrammet. 
1933 Tor Bergeron publiserer ein artikkel om «Skyfysikk og Nedbør».  
1946 Vincent J. Schaeffer og Irving Langmuir gjorde de første forsøkene med å så skyer for å skape nedbør. 
1986 K. Emanuel viser tropiske sykloner som en Carnot varmemotor.

Se også
 Termodynamikk
 Skyfysikk

Litteratur
 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.

Atmosfærisk dynamikk
Termodynamikk