大气热力学

大气热力学是一门研究热功转换，在地球大气层内以气候的方式表现的学问。大气热力学运用热力学定律去描述、解释一些大气中的物理现象，例如潮湿空气的特性、云的形成、大气边界层、大气中的铅直不稳定性等。大气热力学常使用热力学图去预测风暴的形成。大气热力学是云物理学和大量天气模型中对流参数化的基石，常被用于对流平衡等气候模型。

## 概述

大气热力学是一个非平衡系统的例子。大气热力学描述了一些浮力造成的现象，例如低密度（暖）空气上升、高密度（冷）空气下降、水的蒸发与凝结等。这些动力学可以被与科氏力描述。需要被用到的理论包括能量守恒律、理想气体方程、热容量、等熵过程的假设（熵是定值）与绝热过程（没有与外界热交换的过程）。大部分对流层的气体都被视为理想气体与水蒸气，其相变过程是问题讨论的核心。

一些相关的进阶主题包含水的相变均匀成核和非均匀成核、云的形成中溶解物质的影响、冰与水滴的过饱和。考虑潮湿空气和云的形成理论会产生一些特殊温度，例如等位温度、湿球温度和虚温。相关的领域包含能量、动量、物质传递、云中空气粒子的气流交互作用、对流、热带气旋和大气中的巨观动力学。

大气热力学扮演的主要角色，是描述作用于流体质点的绝热力与非绝热力，可以被原始方程组计算。这些方程式成为了气候数值计算与预测的基石。

## 历史

19世纪初，一些重要的数学工具，如流体（气体）力学、蒸气引擎的内燃与压力循环等被卡诺、克劳修斯与克拉佩龙等人开发，如克劳修斯-克拉佩龙方程。1873年，热力学科学家吉布斯发表了有关流体的热力学的图像方法的文章（《Graphical Methods in the Thermodynamics of Fluids》）。

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这些基础自然的开始被运用于引起了极大关注的大气热力学理论模型的开发上。关于大气热力学的论文在1860年代开始出现，其标题如干燥与潮湿的绝热过程。1884年，赫兹发明了第一张大气热力学图。公爵使用准绝热过程，描述了空气抬升、膨胀、冷却，最后其中的水汽凝结成雨的过程。1888年，他发表了一份长篇的著作：《关于大气中的热力学》（On the thermodynamics of the atmosphere）。

1911年，魏格纳公爵发表了书籍：《Thermodynamik der Atmosphäre》。从此大气热力学作为科学的一个分枝，开始稳定扎根。英语的大气热力学“atmospheric thermodynamics”一词可以被追溯到在1919的发表：《The radiant properties of the earth from the standpoint of atmospheric thermodynamics》。1970年代晚期，大气热力学一词开始出现在教科书上。时至今日，大气热力学为天气预报的一项重要理论。

### 时间轴

- 1751 Charles Le Roy认定露点温度是空气饱和的指标
- 1782 Jacques Charles制造了氢气球用于测量温度和压力
- 1784 温度随高度变化的概念被提出
- 1801–1803 道耳吞写下了他的气体压力定律
- 1804 给吕萨克让气球上升以研究天气
- 1805 拉普拉斯写下了压力随高度变化的函数
- 1841 发表了关于气旋能量的对流理论的论文
- 1856 费雷尔发表了造成西风带的动力学
- 1889 亥姆霍兹与贝佐德使用了温度势的概念，贝佐德应用了绝热、准绝热气温垂直递减率的概念
- 1893 Richard Asman构想了大气探空火箭（压力-温度-湿度）
- 1894 John Wilhelm von Bezold使用了等效温度的概念
- 1926 Sir Napier Shaw引述了熵温图
- 1933 Tor Bergeron发表了论文"Physics of Clouds and Precipitation"描述了过冷造成的降水（在有水滴下的冰晶凝聚成长）
- 1946 Vincent J. Schaeffer和Irving Langmuir发表了史上第一个人工降雨实验
- 1986 K. Emanuel以卡诺引擎的概念解释了热带气旋

## 应用

### 哈德里环流圈

哈德里环流圈可以被想作是一个热机。哈德里环流圈被认定为是暖湿空气在赤道地带上升，冷空气在副热带地区下降，导致一个热对流循环，并产生净动能。哈德里系统的热力学效率（作为一个热机的效率）在1979年至2010年近乎一个常数，平均为2.6%。在相同的时间段里，哈德里系统的功率平均逐年上升0.54兆瓦，这代表着输入能量的增加，并与热带海洋表面的温度有关。

### 热带气旋卡诺热机

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飓风在热力学上的表现可以被视作是一个运作在作为热库的大海（大约300K（27 °C）），与作为热沉的对流层顶（大约200K（−72 °C））热机。最后输出的作功为风的动能。当一团空气在靠近海平面时吸收热与水汽，暖空气会上升并膨胀，并在过程中冷却，造成凝结与降水。上升的空气与凝结会产生被科氏力推动的环流，进而推动浪，并增加推动整个气旋循环的暖潮湿空气。提升地球表面的温度或降低对流层顶的温度，皆会造成气旋中风的增强。在应用至飓风动力学时，这个循环代表着卡诺循环，并可进一步预测最大飓风强度。

### 水蒸气与气候变迁

克劳修斯-克拉佩龙方程显示，每当上升1摄氏温度，水汽容量大约会上升8%（这与其他参数，如压力或密度并无直接关系）。这样的“水汽容量”，或称“蒸气压”可以从克劳修斯－克拉佩龙方程中得到。

$$e_s(T)= 6.1094 \exp \left( \frac{17.625T}{T+243.04} \right)$$

（式中$e_s(T)$是平衡压力或蒸气压（单位:hPa），而$T$是温度（单位:摄氏度））。这显示当大气温度提升（如温室气体），湿度应该以指数成长（假设湿度为常数）。然而，这个纯热力学推导是颇具争议的，因为对流过程可能伴随因为下沉气流面积上升，而产生的极度干燥，造成凝结效率被对流强度影响，并且云的形成也与湿度相关。

## 特别主题

- 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).

## 延伸阅读

- 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. (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, (undergraduate textbook).
- 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.