ترمودینامیک جوی

ترمودینامیک جوّی^[۱] یا ترمودینامیک اتمسفری (انگلیسی: Atmospheric thermodynamics) شاخه‌ای از فیزیک جوی و هواشناسی است که به مطالعه پدیده‌های ترمودینامیکی در جو زمین می‌پردازد. این علم به بررسی قوانین ترمودینامیک کلاسیک در گازهای جوی، تبدیل انرژی تابشی خورشیدی به انرژی جنبشی بادها، فرایندهای تغییر فاز آب (مانند تبخیر، میعان و تصعید) و تأثیر آن‌ها بر تشکیل ابر، بارش و دینامیک سامانه‌های اقلیمی می‌پردازد.^[۲]

اصول و مفاهیم بنیادین

جو زمین را می‌توان به عنوان یک سامانه ترمودینامیکی ناهمگن و غیرتعادلی در نظر گرفت. تحلیل پدیده‌های جوی بر پایه چندین اصل و قانون فیزیکی بنا شده است:

قانون گاز آرمانی

هوای خشک و بخار آب در فشارهای رایج جو زمین رفتاری بسیار شبیه به گاز آرمانی دارند. معادله حالت برای هوای خشک به صورت زیر بیان می‌شود:

$p=\rho R_{d}T$

که در آن:

$p$ فشار هوا
$\rho$ چگالی هوا
$T$ دمای مطلق بر حسب کلوین
$R_{d}$ ثابت ویژه گازها برای هوای خشک (تقریباً $287.058{\text{ J/(kg}}\cdot {\text{K)}}$ ) است.

تعادل هیدرواستاتیک

در مقیاس‌های بزرگ، نیروی گرادیان فشار عمودی تقریباً با نیروی گرانش در تعادل است که این وضعیت تعادل هیدرواستاتیک نامیده می‌شود:

${\frac {dp}{dz}}=-\rho g$

با ترکیب معادله حالت گاز ایده‌آل و معادله هیدرواستاتیک، معادله هیپسومتریک به دست می‌آید که ارتباط میان ضخامت لایه‌های جو و دما را توصیف می‌کند.^[۳]

فرایندهای بی‌دررو و آهنگ افت دما

بسیاری از جابه‌جایی‌های عمودی هوا در جو سریع‌تر از آن رخ می‌دهند که تبادل حرارت قابل‌توجهی با محیط اطراف داشته باشند؛ بنابراین این حرکات به صورت بی‌دررو (آدیاباتیک) تقریب زده می‌شوند:

آهنگ کاهش بی‌درروی خشک (DALR):نرخ کاهش دمای یک بسته هوای خشک یا اشباع‌نشده با ارتفاع است که مقدار آن حدود $9.8\ ^{\circ }{\text{C}}/{\text{km}}$ می‌باشد.
آهنگ کاهش بی‌درروی مرطوب (MALR): هنگامی که بسته هوا به اشباع می‌رسد، میعان بخار آب گرمای نهان آزاد کرده و از سرعت سرد شدن هوا می‌کاهد؛ از این رو نرخ افت مرطوب کمتر از نرخ افت خشک و بسته به دما و فشار بین $4$ تا $9\ ^{\circ }{\text{C}}/{\text{km}}$ متغیر است.

متغیرهای ترمودینامیکی در جو

برای تحلیل خواص توده‌های هوا از متغیرهای پایستار و مقیاس‌های دمایی خاص استفاده می‌شود:

دمای بالقوه ( $\theta$ ): دمایی است که یک بسته هوا در صورت انتقال بی‌دررو به فشار مرجع ۱۰۰۰ میلی‌بار پیدا می‌کند.
دمای بالقوه هم‌ارز ( $\theta _{e}$ ): دمای پتانسیل بسته هوا پس از میعان و خروج کامل تمام بخار آب آن.
دمای مجازی ( $T_{v}$ ): دمایی فرضی که هوای خشک باید داشته باشد تا در فشار یکسان، چگالی برابر با هوای مرطوب داشته باشد.
دمای نقطه شبنم ( $T_{d}$ ): دمایی که هوا در فشار ثابت باید تا آن خنک شود تا به نقطه اشباع برسد.

پایداری جوی و همرفت

یکی از مهم‌ترین کاربردهای ترمودینامیک اتمسفری، بررسی پایداری جوی برای پیش‌بینی پدیده‌های همرفتی نظیر طوفان‌های تندری، ابرهای کومولونیمبوس و پیچندها است. شاخص‌های اصلی در این زمینه عبارتند از:

انرژی پتانسیل همرفتی در دسترس (CAPE): مقدار انرژی شناوری مثبتی که بسته هوا در هنگام صعود کسب می‌کند و نشان‌دهنده شدت بالقوه طوفان است.
بازداری همرفتی (CIN): مقدار انرژی منفی که مانع از صعود بسته هوا از سطح زمین تا تراز همرفت آزاد می‌شود.

نمودارهای ترمودینامیکی جو

متخصصان هواشناسی برای تجسم و محاسبه سریع متغیرهای جوی بر اساس داده‌های رادیوسوند، از نمودارهای ویژه ترمودینامیکی (که به آئروگرام‌ها معروفند) استفاده می‌کنند:

نمودار اسکیو-تی (Skew-T log-P diagram)
تفی‌گرام (Tephigram)
اماگرام (Emagram)

جستارهای وابسته

منابع

↑ «ترمودینامیک جوّ» [علوم جَوّ] هم‌ارزِ «atmospheric thermodynamics»؛ منبع: گروه واژه‌گزینی. دفتر هفتم. فرهنگ واژه‌های مصوب فرهنگستان. تهران: انتشارات فرهنگستان زبان و ادب فارسی. شابک ۹۷۸-۹۶۴-۷۵۳۱-۹۴-۸ (ذیل سرواژهٔ ترمودینامیک جوّ){{cite book}}: نگهداری یادکرد:پی‌نوشت (رده)
↑ Curry, Judith A.; Webster, Peter J. (1999). Thermodynamics of Atmospheres and Oceans (in English). Academic Press. ISBN 978-0-12-199570-6.
↑ Wallace, John M.; Hobbs, Peter V. (2006). Atmospheric Science: An Introductory Survey (in English) (2nd ed.). Academic Press. ISBN 978-0-12-732951-2.

[1] «ترمودینامیک جوّ» [علوم جَوّ] هم‌ارزِ «atmospheric thermodynamics»؛ منبع: گروه واژه‌گزینی. دفتر هفتم. فرهنگ واژه‌های مصوب فرهنگستان. تهران: انتشارات فرهنگستان زبان و ادب فارسی. شابک ۹۷۸-۹۶۴-۷۵۳۱-۹۴-۸ (ذیل سرواژهٔ ترمودینامیک جوّ){{cite book}}: نگهداری یادکرد:پی‌نوشت (رده)

[2] Curry, Judith A.; Webster, Peter J. (1999). Thermodynamics of Atmospheres and Oceans (in English). Academic Press. ISBN 978-0-12-199570-6.

[3] Wallace, John M.; Hobbs, Peter V. (2006). Atmospheric Science: An Introductory Survey (in English) (2nd ed.). Academic Press. ISBN 978-0-12-732951-2.

[۱]

[۲]

[۳]