Термодинаміка атмосфери — розділ фізики атмосфери, присвячений вивченню процесів передачі та перетворення тепла в роботу (і навпаки) в атмосфері Землі у зв'язку з вивченням фізики погодних явищ або клімату на основі фундаментальних законів класичної термодинаміки . Дослідження в цій галузі необхідні для розуміння властивостей атмосферної турбулентності, конвекції, динаміки планетарного прикордонного шару і його вертикальної стійкості. Термодинаміка атмосфери служить основою для моделювання процесів в хмарах, використовується при параметризації конвекції в численних моделях динаміки атмосфери, прогнозу погоди і теорії клімату. Термодинамічні діаграми застосовуються як інструмент прогнозування розвитку шторму. Термодинаміка атмосфери є складовою частиною курсу динамічної метеорології.
Історія 1782 року Шарль винайшов повітряну кулю, наповнену воднем, і застосував його для вимірювання температури та тиску в атмосфері над Парижем. Відкрив закон Шарля. 1801 року Дальтон відкрив закон складання парціальних тисків, який названо його іменем. 1805 року Лаплас відкрив закон зміни тиску з висотою. 1823 року Пуассон сформулював рівняння, яке названо його іменем та який зв'язує зміну температури зі зміною тиску в адіабатичному процесі. 1841 року Джеймс Поллард Еспі виявив важливу роль виділення прихованої теплоти пароутворення в підтримці енергії циклонів, запропонував теорію утворення фену. 1860 року Томсон дав теорію влажноадіабатичного процесу. 1884 року Герц запропонував першу аерологічну діаграму (емаграмму)Hertz, H. Graphische Methode zur Bestimmung der adiabatischen Zustandsanderungen feuchter Luft.// Meteor. Ztschr., 1884, Vol. 1, pp. 421—431. English translation by Abbe, C. — The mechanics of the earth's atmosphere // Smithsonian Miscellaneous Collections, 1893, 843, pp. 198—211. 1888 року Бецольда публікує першу монографіюBezold W. von Zur Thermodynamik der Atmosphäre. Pts. I, II. Sitz. K. Preuss. Akad. Wissensch. Berlin, 1888, 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., присвячену термодинаміці атмосфери, тим самим вперше визначив цей розділ фізики, як предмет самостійного дослідження. У 1889 році Гельмгольц і Бецольда ввели поняття потенційної температури. У 1893 році Асман сконструював перший Аерозонд, який вимірював температуру, тиск і вологість. У 1930 році Молчанов запустив перший у світі радіозонд.
Термодинаміка осередку Хедлі
Фізичні процеси в осередку Хедлі можуть розглядатися як результат роботи атмосферної теплової машини. Циркуляція в осередку є результатом підйому теплого і вологого повітря в екваторіальній області з його охолодженням і опусканням в субтропіках. Оцінка термодинамічної ККД такої теплової машини в період з 1979 по 2010 роки виявилася приблизно постійною та в середньому дорівнює 2,6 %. У той час як потужність, що генерується осередком Хедлі, за той же проміжок часу росла в середньому на 0,54 ТВт в рік, що стало результатом тенденції зміни температури поверхні тропічних морів.
Теормодинаміка тропічного циклону Термодинамічні процеси відіграють визначальну роль у розвитку тропічного циклону (урагану). Зазвичай, розвиток урагану представляється як результат роботи атмосферної теплової машини, в якій повітря нагрівається внаслідок теплообміну з поверхнею океану, що має температуру близько 300 К, підіймається в результаті конвекції і охолоджується у Тропопауза, яка має температуру близько 200 К. При цьому важливу роль відіграють фазові переходи води. На поверхні океану відбувається інтенсивне випаровування. Тепле, висхідне повітря при його підйомі розширюється і охолоджується. Досягнувши точки роси, водяна пара конденсується, формуючи хмари і зливові опади. Виділення прихованого тепла при конденсації забезпечує приплив енергії, що підтримує механічну енергію урагану.
Термодинаміка прикордонного шару Термічні умови в прикордонному шарі атмосфери істотно впливають на його динаміку і є причиною його тимчасової і просторової мінливості. Теоретичні моделі, що використовують рівняння теплопровідності (рівняння припливу тепла), рівняння стану ідеального газу, рівняння дифузії водяної пари лежать в основі теорії аналізу процесів, що протікають в прикордонному шаріЛайхтман Д. Л. Физика пограничного слоя атмосферы. Л.: Гидрометеорологическое издательство.—1970.—342 с., в мезометеорологііГутман Л. Н. Введение в нелинейную теорию мезометеорологических процессов. Л.: Гидрометеорологическое издательство.—1969.—293 с.. Теорія (принаймні якісно) моделює такі явища, як добовий хід параметрів стану атмосфери, бризи, вплив неоднорідності підстильної поверхні, орографічні ефекти (гірничо-долинні вітри, льодовикові вітри, місцеві вітри : фен, бора, і ін.), Адвектівние тумани. Дослідження впливу термічної стратифікації на турбулентні потоки використовуються при чисельному моделюванні процесу розсіювання домішок в атмосферіБерлянд М. Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы. Л.: Гидрометеорологическое издательство.—1975.—448 с..
Див. також Адіабатичний градієнт температури Умова виникнення конвекції
Примітки
Література Вегенер А. Термодинаміка атмосфери. ОНТІ.-1935.-275 с. Славін І. А. Термодинаміка гроз. Л.: ЛВІКА ім. А. Ф. Можайского.-1969.-318 с. Доронін Ю. П. Основи термодинаміки атмосфери і океану. Л.: ЛГМІ.-1973.-92 с. Лоренц Е. Н. Природа і теорія загальної циркуляції атмосфери. Л.: Гідрометеоіздат.-1979. Кригель А. М. Питання термодинаміки турбулентної конвекції. // Журнал Технічної фізики.-2016.- 86.-Вип.11.-С.136-139.