वायुमंडलीय ऊष्मप्रवैगिकी

वायुमंडलीय ऊष्मप्रवैगिकी ताप-से-कार्य (भौतिकी) परिवर्तन (और उनके विपरीत) का अध्ययन है जो पृथ्वी के वायुमंडल में होता है और मौसम या जलवायु के रूप में प्रकट होता है। वायुमंडलीय ऊष्मप्रवैगिकी नम वायु के गुणों, बादलों के निर्माण, वायुमंडलीय संवहन, सीमा परत मौसम विज्ञान और वातावरण में ऊर्ध्वाधर अस्थिरता जैसी घटनाओं का वर्णन और व्याख्या करने के लिए उत्कृष्ट ऊष्मप्रवैगिकी के नियमों का उपयोग करती है। तूफान के विकास के पूर्वानुमान में वायुमंडलीय ऊष्मप्रवैगिकी आरेखों का उपयोग उपकरण के रूप में किया जाता है। वायुमंडलीय ऊष्मप्रवैगिकी बादल सूक्ष्मभौतिकी और संख्यात्मक मौसम मॉडल में उपयोग किए जाने वाले संवहन पैरामीटर के लिए एक आधार बनाती है और इसका उपयोग संवहनी-संतुलन जलवायु मॉडल सहित कई जलवायु विचारों में किया जाता है।

सिंहावलोकन

वातावरण एक गैर-संतुलन प्रणाली का एक उदाहरण है।^[1] वायुमंडलीय ऊष्मप्रवैगिकी उत्प्लावक बलों के प्रभाव का वर्णन करती है जो कम सघन (गर्म) वायु के अधिकता, अधिक सघन वायु का अवतरण, और तरल से वाष्प (वाष्पीकरण) और इसके संघनन में पानी के परिवर्तन का कारण बनती है। उन गतिकी को दबाव प्रवणता द्वारा संशोधित किया जाता है और उस गति को कोरिओलिस बल द्वारा संशोधित किया जाता है। उपयोग किए गए उपकरणों में ऊर्जा संरक्षण का नियम, आदर्श गैस नियम, विशिष्ट ऊष्मा क्षमता, समऐन्ट्रॉपिक प्रक्रियाओं की धारणा (जिसमें एन्ट्रापी एक स्थिर है), और नम स्थिरोष्म प्रक्रियाएं सम्मिलित हैं (जिसके समय कोई ऊर्जा ऊष्मा के रूप में स्थानांतरित नहीं होती है)। अधिकांश क्षोभमंडलीय प्रकीर्णन गैसों को आदर्श गैसों और जल वाष्प के रूप में माना जाता है, वाष्प से तरल, ठोस, और वापस चरण को परिवर्तित करने की क्षमता के साथ वायु के सबसे महत्वपूर्ण अवशेष घटकों में से एक माना जाता है।

उन्नत विषय पानी के चरण संक्रमण, सजातीय और सजातीय नाभिकन, बादल संघनन पर घुलित पदार्थों का प्रभाव, बर्फ़ के कण और बादल की बूंदों के निर्माण पर अतिसंतृप्ति की भूमिका हैं। नम वायु और बादल सिद्धांतों के विचारों में सामान्य रूप से विभिन्न तापमान सम्मिलित होते हैं, जैसे समतुल्य संभावित तापमान, आर्द्र बल्ब और आभासी तापमान भी सम्मिलित होते है। जुड़े हुए क्षेत्र ऊर्जा, संवेग और द्रव्यमान स्थानांतरण, बादलों में वायु कणों के बीच विक्षोभ अंतःक्रिया, संवहन, उष्णकटिबंधीय चक्रवातों की गतिकी, और बड़े पैमाने पर वातावरण की गतिकी हैं।

वायुमंडलीय ऊष्मप्रवैगिकी की प्रमुख भूमिका वायु गति के प्रारम्भिक समीकरणो में सम्मिलित हवाई पार्सेल पर कार्य करने वाले स्थिरोष्म और प्रतिरूद्धोष्म बलों के रूप में या तो ग्रिड संशोधन या उपग्रिड पैरामीटरकरण के रूप में व्यक्त की जाती है। ये समीकरण संख्यात्मक मौसम और जलवायु भविष्यवाणियों के लिए आधार बनाते हैं।

इतिहास

19वीं सदी के प्रारंभ में निकोलस लियोनार्ड साडी कार्नोट, रुडोल्फ क्लॉसियस और एमिल क्लैपेरॉन जैसे ऊष्मागतिकीविदों ने वायुमंडलीय भाप इंजनों के दहन और दबाव चक्र से संबंधित द्रव निकायों और वाष्प की गतिशीलता पर गणितीय मॉडल विकसित किए। इसका एक उदाहरण क्लॉसियस-क्लैपेरॉन समीकरण है। 1873 में, ऊष्मप्रवैगिकीविद् विलार्ड गिब्स ने तरल पदार्थों के ऊष्मप्रवैगिकी में ग्राफिकल तरीके प्रकाशित किए।

19वीं शताब्दी में विकसित ऊष्मप्रवैगिकी आरेख का उपयोग अभी भी संवहन उपलब्ध संभावित ऊर्जा या वायु स्थिरता जैसी मात्राओं की गणना के लिए किया जाता है।

इस तरह की नींव स्वाभाविक रूप से वायुमंडलीय ऊष्मप्रवैगिकी के सैद्धांतिक मॉडल के विकास के लिए प्रयुक्त की जाने लगी जिसने सबसे अच्छे स्मृति का ध्यान आकर्षित किया। 1860 के दशक में वायुमंडलीय ऊष्मप्रवैगिकी पर पत्र दिखाई दिए, जिन्होंने ऐसे विषयों को शुष्क और नम रूद्धोष्म प्रक्रियाओं के रूप में माना। 1884 में हेनरिक रुडोल्फ हर्ट्ज़ ने पहला वायुमंडलीय ऊष्मप्रवैगिकी आरेख ( ताप लॉगदाब आलेख) तैयार किया।^[2] छद्म-स्थिरोष्म प्रक्रिया को विल्हेम वॉन बेज़ोल्ड द्वारा दिया गया था जिसमें वायु का वर्णन किया गया था क्योंकि यह उत्थापन करती है, फैलती है, ठंडी होती है, और अंततः इसके जल वाष्प को अवक्षेपित करती है; 1888 में उन्होंने "ऑन द थर्मोडायनेमिक्स ऑफ द एटमॉस्फियर" शीर्षक से बड़ा कार्य प्रकाशित किया।^[3]

911 में वॉन अल्फ्रेड वेगेनर ने एक पुस्तक "थर्मोडायनामिक डेर एटमॉस्फियर", लीपज़िग, जे. ए. बार्थ प्रकाशित की। यहीं से विज्ञान की एक शाखा के रूप में वायुमंडलीय ऊष्मप्रवैगिकी का विकास प्रारंभ हुआ। शब्द वायुमंडलीय ऊष्मप्रवैगिकी, स्वयं, फ्रैंक डब्ल्यू वेरीज़ 1919 प्रकाशन के लिए वायुमंडलीय ऊष्मप्रवैगिकी के दृष्टिकोण से पृथ्वी के प्रदर्शित गुण (वेस्टवुड एस्ट्रोफिजिकल वेधशाला के समसामयिक वैज्ञानिक पत्र) के द्वारा अन्वेषण की जा सकती है। 1970 के दशक के अंत तक इस विषय पर विभिन्न पाठ्यपुस्तकें दिखाई देने लगीं। आज, वायुमंडलीय ऊष्मप्रवैगिकी मौसम पूर्वानुमान का एक अभिन्न अंग है।

कालक्रम

1751 चार्ल्स ले रॉय ने हवा के संतृप्ति बिंदु के रूप में ओस बिंदु तापमान की पहचान की
1782 जैक्स-चार्ल्स ने पेरिस में तापमान और दबाव को मापने के लिए हाइड्रोजन गुब्बारे की उड़ान बनाई
1784 ऊंचाई के साथ तापमान में बदलाव की अवधारणा का सुझाव दिया गया
1801–1803 जॉन डाल्टन ने वाष्प के दबाव के अपने नियम विकसित किए
1804 जोसेफ लुइस गे-लुसाक ने मौसम का अध्ययन करने के लिए वायुयान की आरोहण की
1805 पियरे साइमन लाप्लास ने ऊंचाई के साथ दबाव भिन्नता के अपने नियम को विकसित किया
1841 जेम्स पोलार्ड एस्पी ने चक्रवात ऊर्जा के संवहन सिद्धांत पर पत्र प्रकाशित किया
1856 विलियम फेरेल ने गतिकी को प्रस्तुत किया जिससे पछुवा हवाएँ चलती हैं
1889 हर्मन वॉन हेल्महोल्ट्ज़ और जॉन विलियम वॉन बेज़ोल्ड ने संभावित तापमान की अवधारणा का उपयोग किया, वॉन बेज़ोल्ड ने स्थिरोष्म पतन दर और छद्म रूद्धोष्म का उपयोग किया
1893 रिचर्ड असमन ने पहले वायु वैज्ञानिक सोंडे (दबाव-तापमान-आर्द्रता) का निर्माण किया
1894 जॉन विल्हेम वॉन बेज़ोल्ड ने समतुल्य तापमान की अवधारणा का उपयोग किया
1926 सर नेपियर शॉ ने टेफिग्राम प्रस्तुत किया
1933 टोर बर्जरॉन ने अतिशीतित (पानी की बूंदों की उपस्थिति में बर्फ के क्रिस्टल के घनीभूत विकास के कारण) से वर्षा का वर्णन करने वाले बादलों और वर्षा के भौतिकी पर पत्र प्रकाशित किया।
1946 विन्सेंट जे. शेफ़र और इरविंग लैंगमुइर ने पहला मेघ बीजन प्रयोग किया
1986 के. एमानुएल ने कार्नाट ताप इंजन के रूप में उष्णकटिबंधीय चक्रवात की संकल्पना की

अनुप्रयोग

हैडली परिसंचरण

हैडली परिसंचलन को तापीय इंजन माना जा सकता है।^[4] हैडली संचलन की पहचान उपोष्णकटिबंधीय क्षेत्र में गर्म और नम वायु के चलने से होती है, जो उपोष्णकटिबंधीय क्षेत्रों में ठंडी वायु के अवतरण के साथ होती है, जो ऊष्मीय रूप से संचालित प्रत्यक्ष संचलन के अनुरूप होती है, जिसके परिणामस्वरूप गतिज ऊर्जा का शुद्ध उत्पादन होता है। हैडली प्रणाली की ऊष्मप्रवैगिकी दक्षता, जिसे एक ताप इंजन माना जाता है, 1979-2010 की अवधि में अपेक्षाकृत स्थिर रही है, जो औसतन 2.6% है। इसी अंतराल में, हैडली प्रक्षेत्र द्वारा उत्पन्न बिजली लगभग 0.54 TW प्रति वर्ष की औसत दर से बढ़ी है; यह उष्णकटिबंधीय समुद्री सतह के तापमान में देखी गई प्रवृत्ति के अनुरूप प्रणाली में ऊर्जा इनपुट में वृद्धि को दर्शाता है।

उष्णकटिबंधीय चक्रवात कार्नो चक्र

वायु नम हो रही है क्योंकि यह संवहन प्रणाली की ओर संचरण करती है। एक सघन संवहन कोर में आरोही गति वायु विस्तार, शीतलन और संघनन उत्पन्न करती है। सन्दान बादल के रूप में दिखाई देने वाला ऊपरी स्तर का बहिर्वाह अंततः संरक्षित द्रव्यमान (र्यसुनेक - रॉबर्ट सिमोन) के अवरोही होता है।

तूफान के उष्मागतिकीय गतिविधि को ऊष्मा इंजन के रूप में प्रतिरूपित किया जा सकता है ^[5] जो लगभग 300 केल्विन (27 °C) के तापमान पर समुद्र के ताप जलाशय और लगभग 200 केल्विन (-72 °C) के तापमान पर क्षोभमंडल के ऊष्मा अभिगम के बीच संचालित होता है और इस प्रक्रिया में ऊष्मा ऊर्जा को हवाओं की यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित करता है। समुद्र की सतह के समीप संचरण करने वाली वायु के आंशिक ऊष्मा और जल वाष्प लेते हैं, गर्म वायु ऊपर उठती है और फैलती है और ठंडी होती है क्योंकि यह संघनन और वर्षा का कारण बनती है। ऊपर उठती वायु, और संघनन, संचारी हवाएं उत्पन्न करती हैं जो कोरिओलिस बल द्वारा संचालित होती हैं, जो लहरों को तीव्र करती हैं और गर्म नम वायु की मात्रा को बढ़ाती हैं जो चक्रवात को शक्ति प्रदान करती हैं। ऊपरी क्षोभमंडल में घटता तापमान या सतह के समीप वातावरण का बढ़ता तापमान दोनों तूफानों में देखी जाने वाली अधिकतम हवाओं को बढ़ाएंगे। तूफान की गतिशीलता पर प्रयुक्त होने पर यह कार्नाट ताप इंजन चक्र को परिभाषित करता है और तूफान की अधिकतम तीव्रता की भविष्यवाणी करता है।

जल वाष्प और वैश्विक जलवायु परिवर्तन

क्लॉसियस-क्लैपेरॉन संबंध से पता चलता है कि कैसे तापमान में प्रति सेल्सियस की वृद्धि से वातावरण की जल-धारण क्षमता लगभग 8% बढ़ जाती है। (यह दबाव या घनत्व जैसे अन्य मापदंडों पर प्रत्यक्ष रूप से निर्भर नहीं करता है।) यह जल-धारण क्षमता, या संतुलन वाष्प दबाव, अगस्त-रोशे-मैग्नस सूत्र का उपयोग करके अनुमानित किया जा सकता है।

e_{s}(T)=6.1094\exp \left({\frac {17.625T}{T+243.04}}\right)

(जहाँ $e_{s}(T)$ hPa में संतुलन या संतृप्ति वाष्प दबाव है, और $T$ डिग्री सेल्सियस में तापमान है)। इससे पता चलता है कि जब वायुमंडलीय तापमान बढ़ता है (उदाहरण के लिए, ग्रीन हाउस गैसें के कारण) पूर्ण आर्द्रता भी तेजी से बढ़नी चाहिए (एक निरंतर सापेक्ष आर्द्रता मानते हुए)। हालांकि, यह विशुद्ध रूप से ऊष्मप्रवैगिकी तर्क अपेक्षाकृत अधिक तर्क का विषय है क्योंकि संवहन के कारण अवतलन (वातावरण) के बढ़े हुए क्षेत्रों के कारण व्यापक अधिशोषण का कारण हो सकता है, वर्षा की दक्षता संवहन की तीव्रता से प्रभावित हो सकती है, और क्योंकि बादल निर्माण सापेक्षिक आर्द्रता से संबंधित है।^{[citation needed]}

यह भी देखें

विशेष विषय

लॉरेंज, ई.एन., 1955, उपलब्ध संभावित ऊर्जा और सामान्य परिसंचरण का संरक्षण, टेलुस, 7, 157-167।
इमानुएल, के, 1986, भाग I. उष्णकटिबंधीय चक्रवातों के लिए एक वायु-समुद्र संपर्क सिद्धांत, जे. एटमॉस। विज्ञान। 43, 585, (परिपक्व तूफान की ऊर्जा के संरक्षण को यहाँ कार्नोट इंजन के रूप में आदर्श बनाया गया है जो समुद्र से निकाली गई ऊष्मा ऊर्जा को यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित करता है)।

संदर्भ

↑ Junling Huang & Michael B. McElroy (2015). "ग्लोबल वार्मिंग के संदर्भ में वातावरण का थर्मोडायनामिक असमानता". Climate Dynamics. 45 (11–12): 3513–3525. Bibcode:2015ClDy...45.3513H. doi:10.1007/s00382-015-2553-x. S2CID 131679473.
↑ 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
↑ 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.
↑ Junling Huang & Michael B. McElroy (2014). "Contributions of the Hadley and Ferrel Circulations to the Energetics of the Atmosphere over the Past 32 Years". Journal of Climate. 27 (7): 2656–2666. Bibcode:2014JCli...27.2656H. doi:10.1175/jcli-d-13-00538.1. S2CID 131132431.
↑ Emanuel, K. A. Annual Review of Fluid Mechanics, 23, 179–196 (1991)

अग्रिम पठन

Bohren, C.F. & B. Albrecht (1998). Atmospheric Thermodynamics. Oxford University Press. 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., A First Course in Atmospheric Thermodynamics, Sundog Publishing, Madison, Wisconsin, ISBN 978-0-9729033-2-5 (undergraduate textbook).
Tsonis Anastasios, A. (2002). An Introduction to Atmospheric Thermodynamics. Cambridge University Press. 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.

[1] Junling Huang & Michael B. McElroy (2015). "ग्लोबल वार्मिंग के संदर्भ में वातावरण का थर्मोडायनामिक असमानता". Climate Dynamics. 45 (11–12): 3513–3525. Bibcode:2015ClDy...45.3513H. doi:10.1007/s00382-015-2553-x. S2CID 131679473.

[2] 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

[3] 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.

[4] Junling Huang & Michael B. McElroy (2014). "Contributions of the Hadley and Ferrel Circulations to the Energetics of the Atmosphere over the Past 32 Years". Journal of Climate. 27 (7): 2656–2666. Bibcode:2014JCli...27.2656H. doi:10.1175/jcli-d-13-00538.1. S2CID 131132431.

[5] Emanuel, K. A. Annual Review of Fluid Mechanics, 23, 179–196 (1991)

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