Откуда дуют ветра? Новая теория о том, как конденсация водяных паров влияет на атмосферное давление и динамику.

Резюме.

Фазовые переходы атмосферной воды играют роль вездесущих в климатической системе Земли ,но их непосредственное влияние на динамику атмосферы избежало широкого внимания. Здесь мы рассмотрим и усовершенствуем теорию о том, как конденсация влияет на атмосферное давление через массу удаления воды из газовой фазы с одновременным учетом высвобождения скрытой теплоты. Опираясь на фундаментальные физические принципы, мы показываем, что конденсация связана со снижением давления воздуха в нижних слоях атмосферы. Это снижение происходит до определенной высоты, которая колеблется от 3 до 4 км для поверхностной температуры от 10 до 30 °С. Тогда, мы оцениваем горизонтальные перепады давления, связанные с конденсацией водяных паров и обнаруживаем, что они сравнимы по величине с перепадами давления ведущей наблюдаемой циркуляции. Водяные пары, поставляемые в атмосферу через испарение , представляет собой запас потенциальной энергии, доступной для ускорения воздуха и, следовательно, управляют ветрами. Наши оценки показывают, что глобальная средняя мощность, при которой эта потенциальная энергия высвобождается посредством конденсации, составляет около одного процента от глобальной солнечной энергии - это похоже на известную стационарную рассеивающую силу общей циркуляции атмосферы. Мы заключаем, что конденсация и испарение заслуживают внимания в качестве основных факторов управления динамикой атмосферы, хотя ранее это было упущено.

1.Введение

Фазовые переходы воды являются одними из основных физических процессов, которые формируют климат Земли. Однако, эти процессы не были достаточно хорошо описаны. Этот дефицит признается и как вызов, как перспектива для продвижения нашего понимания атмосферной циркуляции (например, Lorenz, 1983; Schneider, 2006). В истории о господствующей идее об основной (общей) циркуляции атмосферы Лоренц (1983) писал:

«Поэтому мы можем остановиться и спросить себя, действительно ли этот шаг будет завершен в манере последних трех. Увидит ли следующее десятилетие новые экспериментальные данные, которые опровергнут наши нынешние идеи? Довольно трудно было бы показать, что этого не может случиться. Наши современные знания о роли различных фаз воды в атмосфере являются несколько неполным: в конечном счете она должна охватывать как термодинамических ,так и радиационные эффекты. Мы не до конца понимаем взаимосвязь между тропиками, которые содержат основную часть воды, и остальными широтами. . . Может быть, в конце 20-го века мы неожиданно обнаружим, что мы начинаем пятый шаг»

Deluc (1812 , с. 176 ) отметил, что преобразования водяного пара под дождем создает своего рода " Airfree " пространства , которые могут вызвать порывы ветра. Лоренц ( 1967, формула 86), а также ряд других авторов после него (Тренберт и др., 1987;. Тренберт, 1991; Гу и Цянь, 1991; Ooyama, 2001; Шуберта и др., 2001;. Wacker и Герберт, 2003; Wacker и др., 2006), признал, что местное давление снижается под воздействием осадков и увеличивается под воздействием испарения( или снижается при осадках и увеличивается при испарении). Цю и соавт. (1993) отмечает, что "истощение массы вследствие осаждения имеет тенденцию уменьшать поверхностное давление, которое в свою очередь может повысить сходимость уровня влажности и дать положительный результат воздействия атмосферных осадков". Ван ден Dool и Саха (1993) определили этот эффект, как физически явный (однозначный) "инициатор водяных паров". Lackmann и Яблонский (2004) исследовали массы раковинных осадков в случае урагана Lili (2002) и сделали важное наблюдение, что "количество атмосферных масс удаляемых через осадки превысило уровень моря ,что объясняет модель снижения давления".

Хотя изменения давления , связанные с испарением и конденсацией, получили некоторое внимание, исследования были ограничены: эти эффекты остаются слабо изученными как в теории ,так в наблюдениях. Предыдущие исследования сосредоточены на временных изменениях давления ,но без учёта пространственных градиентов. Даже некоторые очень простые взаимосвязи остаются предметом путаницы (вводят в замешательство). Например, есть сомнения относительно того, конденсация приводит к снижению или повышенного атмосферного давления (Poschl, 2009, с. S12436 Полагая, что статус проблемы в метеорологической литературе неясен, Хейнс (2009) предположил, что, чтобы оправдать требование сокращения давления нужно было бы показать, что “стандартные подходы (например, отправьтесь в учебниках, таких как “Термодинамика Атмосфер и Океанов” Карри и Вебстером, 1999) подразумевают понижение давления, связанного с конденсацией”.

В данной статье мы стремимся разъяснить и описать, опираясь на основные и устоявшиеся физические принципы, что изменения давления связаны с конденсацией. Мы будем утверждать, что водяной пар в атмосфере представляет собой запас потенциальной энергии, которая становится доступной для ускорения воздуха, так как (или по мере того как) пар конденсируется. Испарение, вызванное солнцем, непрерывно пополняет запас этой энергии в атмосфере.

Работа построена следующим образом. В гл. 2 мы анализируем процесс адиабатической конденсации , с целью показать , что он всегда сопровождается локальным уменьшением давления воздуха. В гл. 3 мы оцениваем последствия водного массового удаления и изменение вертикального градиента при конденсации в вертикальном столбе воздуха при приблизительном гидростатическом равновесии. В гл. 4 мы оцениваем горизонтальные градиенты давления, индуцированные конденсацией водяных паров, с целью показать, что этого достаточно, чтобы управлять основными циркуляциями на Земле (см. п. 4.1). Мы рассмотрим, почему ключевые взаимоотношения остались неизвестными до недавнего времени (разделы 4.2 и 4.3). Мы оценим среднюю глобальную силу, которую можно получить с помощью конденсации, которая сможет управлять общей циркуляцией атмосферы (см. п. 4.4). Наконец, мы обсудим взаимодействие между испарением и конденсацией и их существенно различные последствия их физической составляющей (?) для динамики атмосферы (см. п. 4.5). В заключительном разделе мы обсудим важность конденсации по сравнению с дифференциальным нагревом, в качестве основного драйвера атмосферной циркуляции. Наши теоретические исследования убедительно свидетельствуют о том, что фазовые переходы паров воды играют гораздо более существенную роль в управлении динамикой атмосферы, чем в настоящее время принято полагать.