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'''大氣熱力學'''是一門研究[[熱量|熱]][[功|功]]轉換，在地球大氣層內以氣候的方式表現的學問。大氣熱力學運用[[热力学|熱力學]]定律去描述、解釋一些大氣中的物理現象，例如潮濕空氣的特性、雲的形成、[[大氣邊界層|大氣邊界層]]、大氣中的鉛直不穩定性等。大氣熱力學常使用[[熱力學圖|熱力學圖]]去預測風暴的形成。大氣熱力學是雲物理學和大量天氣模型中[[parametrization (climate)|對流參數化]]的基石，常被用於對流平衡等氣候模型。

==概述==
大氣熱力學是一個非平衡系統的例子。<ref>{{cite journal |author1=Junling Huang  |author2=Michael B. McElroy |name-list-style=amp |title=Thermodynamic disequilibrium of the atmosphere in the context of global warming|journal=Climate Dynamics |volume=45 |issue=11–12 |pages=3513–3525 |year=2015 |doi=10.1007/s00382-015-2553-x|bibcode = 2015ClDy...45.3513H |s2cid=131679473 |url=http://nrs.harvard.edu/urn-3:HUL.InstRepos:14344481 }}</ref> 大氣熱力學描述了一些浮力造成的現象，例如低密度（暖）空氣上升、高密度（冷）空氣下降、水的蒸發與凝結等。 這些動力學可以被{{tsl|en|pressure gradient||氣壓梯度力}}與[[科里奥利力|科氏力]]描述。需要被用到的理論包括能量守恆律、[[理想气体状态方程|理想氣體方程]]、熱容量、[[等熵过程|等熵過程]]的假設（[[熵|熵]]是定值）與[[绝热过程|絕熱過程]]（沒有與外界熱交換的過程）。大部分對流層的氣體都被視為理想氣體與[[水蒸气|水蒸氣]]，其相變過程是問題討論的核心。

一些相關的進階主題包含水的[[相變|相變]]均勻成核和非均勻成核、雲的形成中溶解物質的影響、冰與水滴的過飽和。考慮潮濕空氣和雲的形成理論會產生一些特殊溫度，例如等位溫度、濕球溫度和虛溫。相關的領域包含能量、動量、[[传质|物質傳遞]]、雲中空氣粒子的氣流交互作用、對流、熱帶氣旋和大氣中的巨觀動力學。

大氣熱力學扮演的主要角色，是描述作用於[[流体质点|流體質點]]的絕熱力與非絕熱力，可以被[[原始方程组|原始方程組]]計算。這些方程式成為了氣候數值計算與預測的基石。

==歷史==
19世紀初，一些重要的數學工具，如流體（氣體）力學、蒸氣引擎的內燃與壓力循環等被[[尼古拉·卡诺|卡諾]]、[[魯道夫·克勞修斯|克勞修斯]]與[[埃米尔·克拉佩龙|克拉佩龍]]等人開發，如[[克劳修斯－克拉佩龙方程|克勞修斯-克拉佩龍方程]]。1873年，熱力學科學家[[乔赛亚·威拉德·吉布斯|吉布斯]]發表了有關流體的熱力學的圖像方法的文章（《Graphical Methods in the Thermodynamics of Fluids》）。

[[Image:Skew-T.gif|thumb|19世紀開發的熱力學圖現在仍被用於計算如[[對流可用位能|對流可用位能]]或空氣穩定性等物理量。]]
這些基礎自然的開始被運用於引起了極大關注的大氣熱力學理論模型的開發上。關於大氣熱力學的論文在1860年代開始出現，其標題如乾燥與潮溼的[[绝热过程|絕熱過程]]。1884年，[[海因里希·赫兹|赫茲]]發明了第一張大氣熱力學圖（{{tsl|en|emagram||埃瑪圖}}）。<ref>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 atmosphere. Smithsonian Miscellaneous Collections, 843, 1893, 198–211</ref>{{tsl|en|Wilhelm von Bezold||貝佐德}}公爵使用準絕熱過程，描述了空氣抬升、膨脹、冷卻，最後其中的水氣凝結成雨的過程。1888年，他發表了一份長篇的著作：《關於大氣中的熱力學》（On the thermodynamics of the atmosphere）。<ref>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.</ref>  
 
1911年，[[阿尔弗雷德·魏格纳|魏格納]]公爵發表了書籍：《Thermodynamik der Atmosphäre》。從此大氣熱力學作為科學的一個分枝，開始穩定扎根。英語的大氣熱力學「atmospheric thermodynamics」一詞可以被追溯到{{tsl|en|Frank W. Very||Frank W. Very}}在1919的發表：《The radiant properties of the earth from the standpoint of atmospheric thermodynamics》。1970年代晚期，大氣熱力學一詞開始出現在教科書上。時至今日，大氣熱力學為天氣預報的一項重要理論。

===時間軸===

*1751 Charles Le Roy認定露點溫度是空氣飽和的指標
*1782 {{tsl|en|Jacques Charles||Jacques Charles}}製造了氫氣球用於測量溫度和壓力
*1784 溫度隨高度變化的概念被提出
*1801–1803 [[约翰·道尔顿|道耳吞]]寫下了他的氣體壓力定律
*1804 [[约瑟夫·路易·盖-吕萨克|給呂薩克]]讓氣球上升以研究天氣
*1805 拉普拉斯寫下了壓力隨高度變化的函數
*1841 {{tsl|en|James Pollard Espy||James Pollard Espy}}發表了關於氣旋能量的對流理論的論文
*1856 [[威廉·費雷爾|費雷爾]]發表了造成[[西風帶|西風帶]]的動力學
*1889 亥姆霍茲與貝佐德使用了溫度勢的概念，貝佐德應用了絕熱、準絕熱[[氣溫垂直遞減率|氣溫垂直遞減率]]的概念
*1893 Richard Asman構想了大氣探空火箭（壓力-溫度-濕度）
*1894 John Wilhelm von Bezold使用了等效溫度的概念
*1926 Sir Napier Shaw引述了熵溫圖
*1933 Tor Bergeron發表了論文"Physics of Clouds and Precipitation"描述了過冷造成的降水（在有水滴下的冰晶凝聚成長）
*1946 Vincent J. Schaeffer和Irving Langmuir發表了史上第一個[[人工降雨|人工降雨]]實驗
*1986 K. Emanuel以卡諾引擎的概念解釋了熱帶氣旋

==應用==

===哈德里環流圈===
哈德里環流圈可以被想作是一個熱機。<ref>{{cite journal |author1=Junling Huang  |author2=Michael B. McElroy |name-list-style=amp |title=Contributions of the Hadley and Ferrel Circulations to the Energetics of the Atmosphere over the Past 32 Years|journal=Journal of Climate |issue=7| volume=27 |pages=2656–2666 |year=2014 |doi=10.1175/jcli-d-13-00538.1|bibcode = 2014JCli...27.2656H |s2cid=131132431 |url=http://nrs.harvard.edu/urn-3:HUL.InstRepos:11857805 }}</ref>哈德里環流圈被認定為是暖濕空氣在赤道地帶上升，冷空氣在副熱帶地區下降，導致一個熱對流循環，並產生淨動能。哈德里系統的熱力學效率（作為一個熱機的效率）在1979年至2010年近乎一個常數，平均為2.6%。在相同的時間段裡，哈德里系統的功率平均逐年上升0.54兆瓦，這代表著輸入能量的增加，並與熱帶海洋表面的溫度有關。

===熱帶氣旋卡諾熱機===
[[Image:Anvil convection.jpg|thumb|upright=1.5|空氣會在對流的過程中會越來越潮濕。對流核心的上升運動會使空氣膨脹、冷卻、凝結。上層氣流的流出形成砧雲，最終因質量守恆下降。（rysunek – Robert Simmon）]] 
颶風在熱力學上的表現可以被視作是一個運作在作為熱庫的大海（大約300K（27&nbsp;°C）），與作為熱沉的對流層頂（大約200K（−72&nbsp;°C））熱機。最後輸出的作功為風的動能。 <ref>Emanuel, K. A. Annual Review of Fluid Mechanics, 23, 179–196 (1991)</ref> 當一團空氣在靠近海平面時吸收熱與水氣，暖空氣會上升並膨脹，並在過程中冷卻，造成凝結與降水。上升的空氣與凝結會產生被[[科里奥利力|科氏力]]推動的環流，進而推動浪，並增加推動整個氣旋循環的暖潮濕空氣。提升地球表面的溫度或降低對流層頂的溫度，皆會造成氣旋中風的增強。在應用至颶風動力學時，這個循環代表著卡諾循環，並可進一步預測最大颶風強度。

===水蒸氣與氣候變遷===

{{Main|克勞修斯-克拉佩龍方程|August-Roche-Magnus approximation}}

[[克劳修斯－克拉佩龙方程|克勞修斯-克拉佩龍方程]]顯示，每當上升1攝氏[[温度|溫度]]，水氣容量大約會上升8%（這與其他參數，如[[压强|壓力]]或[[密度|密度]]並無直接關係）。這樣的「水氣容量」，或稱「[[蒸氣壓|蒸氣壓]]」可以從[[克劳修斯－克拉佩龙方程]]中得到。

:<math> e_s(T)= 6.1094 \exp \left( \frac{17.625T}{T+243.04} \right)</math>

（式中<math>e_s(T)</math>是平衡壓力或[[蒸氣壓|蒸氣壓]]（單位:[[帕斯卡|hPa]]），而<math>T</math>是溫度（單位:攝氏度））。這顯示當大氣溫度提升（如[[温室气体|溫室氣體]]），[[湿度|濕度]]應該以[[指数函数|指數]]成長（假設[[湿度|濕度]]為常數）。然而，這個純熱力學推導是頗具爭議的，因為[[對流|對流過程]]可能伴隨因為[[下沉气流|下沉氣流]]面積上升，而產生的極度乾燥，造成凝結效率被對流強度影響，並且[[云|雲]]的形成也與濕度相關。{{Citation needed|date=September 2008}}

==參見==
* [[大氣對流|大氣對流]]
* {{tsl|en|Atmospheric temperature|大氣溫度}}
* {{tsl|en|Atmospheric wave|大氣波}}
* [[化学热力学|化學熱力學]]
* [[云物理学|雲物理學]]
* {{tsl|en|Equilibrium thermodynamics|平衡態熱力學}}
* [[流體動力學|流體力學]]
* [[非平衡態熱力學|非平衡態熱力學]]
* [[热力学|熱力學]]

==特別主題==
*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, ([[能量守恒定律|energy cycle]] of the mature hurricane has been idealized here as Carnot engine that converts heat energy extracted from the ocean to  mechanical energy).

==參考文獻==
{{reflist}}

==延伸閱讀==
{{refbegin}}
#{{cite book |author1=Bohren, C.F. |author2=B. Albrecht  |name-list-style=amp | title=Atmospheric Thermodynamics | publisher=Oxford University Press | year=1998 | isbn=978-0-19-509904-1}}
#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).
#Petty, G.W., [https://web.archive.org/web/20090517020307/http://sundogpublishing.com/AtmosThermo/Announcement.html A First Course in Atmospheric Thermodynamics], Sundog Publishing, Madison, Wisconsin,  {{ISBN|978-0-9729033-2-5}} (undergraduate textbook).
#{{cite book | author=Tsonis Anastasios, A. | authorlink= Anastasios Tsonis|title=An Introduction to Atmospheric Thermodynamics | publisher=Cambridge University Press | year=2002 | isbn=978-0-521-79676-7}}
#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.
{{refend}}

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[[Category:滑翔技术]]