干燥的大气温度剖面图(干绝热和等温)

Question

我试着去了解为什么会有不同的预测大气温度曲线。完善,干绝热递减率(DALR)是:

$ $ \压裂{\ mathrm {d} T} {\ mathrm z d{}} = - \压裂{g} {c_p} \大约-9.8 \ \ mathrm {K /公里}$ $

这是通过假设绝热过程和派生的静水压力梯度:

$ $ \ mathrm} {d s = c_p \ mathrm {d} \ ln {T} - R \ mathrm {d} \ ln {p} \四(= \压裂{\δq} {T} = 0) \ \ \四\压裂{\ mathrm p {d}} {\ mathrm z d{}} = - \ρ的g $ $

美元\ρ的美元是环境空气的密度和压力的空气包裹是一样的环境压力(p = p '美元)。不可冷却空气包裹将经验由于环境压力的变化,当大气中绝热地上升。

然而,当使用最大熵原则(即寻找均衡配置文件)等温轮廓预测经典,吉布斯和玻尔兹曼。

显然,实际的大气剖面(没有水分冷凝)是一致的与干绝热递减率比等温概要文件。实际的资料当然是大气层的连续热冷却,热的辐射从地球表面变暖,从表面加热传导(由湍流和分子扩散),并在白天太阳能加热。这些因素可以显著影响任何平衡。

我的问题是:

• 导致这种差异的原因是什么?有共识吗?

• 如果最初DALR概要文件,最终会变成一个等温概要文件如果没有影响(没有辐射,没有表面,没有动态现象)。

我的印象是,当辐射过程(从表面热冷却和热加热)都包括在最大熵的计算,可以得到某种递减率,即介于纯热能辐射概要和等温概要。

我发现一些论文讨论这个问题,esp。

• Verkley世界。,2003年Gerkema T。在最大熵的概要文件。大气科学杂志》。

• Akmaev RA。,2008年。最大的能量熵的温度变化情况。季度皇家气象学会杂志》上

他们对待潜在温度看作是守恒的应用最大熵原理以达到时递减率的一个概要文件。但我不清楚为什么这种假设应该,或者如果有任何普遍的共识,这是正确的方法。

Answer 1

你发现的那两篇文章是正确的。一个等温大气的情况确实是最大化熵对于一个给定的能量。然而积极的递减率几乎总是观察。通常温度随高度增大而减小。解决这个明显的矛盾的关键是如何热流入和穿过地球大气层。地球的大气层是一个系统,是非常远离平衡。

如果气氛并不在最大熵状态(不,至少不是从最底层到最高层),传热将设立把它移向该州。非常关键:熵驱动的传热率相当低。如果其他传热过程在玩(和他们总是),很容易淹没,低熵驱动的传热,名义上的平衡温度。地球的对流层从下面加热和冷却。这就颠覆了传热熵驱动,由多个数量级。

另一个因素是如何通过大气热量流动。大气中温室气体的存在设置条件,做一个积极的递减率。通过类比,想象一个完美的黑体热源产生热量的速度问,表面积美元如果热源辐射到黑暗的天空,平衡温度将由斯蒂芬玻尔兹曼法,$ T_ \识别文本{顶级}= (Q /σ(\))^ {1/4}$。(注意:我假设问美元多,远远大于微小的热量来自宇宙微波背景)。如果你把一个完美的黑体热源的毯子上,毛毯将辐射率问美元向外和向内。热源将接收来自上方和下方的加热,使平衡温度的热源与一个毯子等于美元(2 q /σ(\))^{1/4}$,或者2美元^ {1/4}T_ \识别文本{顶级}$。另一个毯子使热平衡等于3美元^{1/4}{顶级}$ T_ \识别文本,等等。

大气中温室气体的热红外光学厚的充当一大堆毯子。显然不是完美的黑体毯子,但毯子。这是有利于发展的一个积极的递减率。

这有利于不是普遍的。有的时候天气创造了条件,递减率是负的,也就是说,温度随高度上升。这是一个非常稳定的状态(这是一个的名字“非常稳定的气氛”)。这种消极的递减率排除了包裹的空气上升和下降。平静的空气,唯一能转移热量扩散,大气中这是一个非常缓慢的过程。