La termodinámica atmosférica es una sección de la física atmosférica dedicada al estudio de los procesos de transferencia y conversión de calor en trabajo (y viceversa) en la atmósfera terrestre en conexión con el estudio de la física de los fenómenos meteorológicos o climáticos en base a las leyes fundamentales de la termodinámica clásica [1] . La investigación en esta área es esencial para comprender las propiedades de la turbulencia atmosférica , la convección , la dinámica de la capa límite planetaria y su estabilidad vertical. La termodinámica atmosférica sirve como base para modelar procesos en las nubes, se utiliza para parametrizar la convección en modelos numéricos de dinámica atmosférica, pronóstico del tiempo y teoría del clima. Los diagramas termodinámicos se utilizan como herramienta para predecir el desarrollo de una tormenta. La termodinámica atmosférica es una parte integral del curso de meteorología dinámica .
Los procesos físicos en la celda de Hadley pueden considerarse como el resultado de la operación de un motor térmico atmosférico . La circulación en la celda es el resultado del ascenso de aire cálido y húmedo en la región ecuatorial, con su enfriamiento y hundimiento en los subtrópicos. La evaluación de la eficiencia termodinámica de una máquina térmica de este tipo en el período de 1979 a 2010 [4] resultó ser aproximadamente constante, con un promedio de 2,6 %. Mientras que la energía generada por la celda de Hadley ha aumentado en un promedio de 0,54 TW por año durante el mismo período de tiempo, que fue el resultado de la tendencia observada en las temperaturas de la superficie del mar tropical.
Los procesos termodinámicos juegan un papel decisivo en el desarrollo de un ciclón tropical (huracán). Por lo general, el desarrollo de un huracán se presenta como el resultado del trabajo de una máquina térmica atmosférica, en la que el aire se calienta debido al intercambio de calor con la superficie del océano, que tiene una temperatura de unos 300 K, se eleva como consecuencia de la convección y se enfría en la tropopausa , que tiene una temperatura de aproximadamente 200 K. En este caso, las transiciones de fase del agua juegan un papel importante. La evaporación se produce en la superficie del océano. El aire caliente que asciende se expande y se enfría a medida que asciende. Al alcanzar el punto de rocío, el vapor de agua se condensa para formar nubes y lluvia. La liberación de calor latente durante la condensación proporciona un flujo de energía que mantiene la energía mecánica del huracán.
Las condiciones térmicas en la capa límite de la atmósfera tienen un impacto significativo en su dinámica y son la causa de su variabilidad temporal y espacial. Los modelos teóricos que utilizan la ecuación del calor (ecuación del flujo de calor), la ecuación de estado del gas ideal y la ecuación de difusión del vapor de agua son la base de la teoría del análisis de los procesos que ocurren en la capa límite [5] en la mesometeorología [6] . La teoría (al menos cualitativamente) modela fenómenos como el curso diario de los parámetros del estado de la atmósfera, las brisas , la influencia de la heterogeneidad de la superficie subyacente , los efectos orográficos ( vientos de montaña-valle, vientos glaciales , vientos locales : foehn , bora , etc.), nieblas advectivas . Los estudios del efecto de la estratificación térmica sobre los flujos turbulentos se utilizan en la modelización numérica del proceso de dispersión de impurezas en la atmósfera [7] .
| Ramas de la física atmosférica ( meteorología ) | |
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