La termodinámica atmosférica es el estudio de las transformaciones de calor en trabajo (y su inversa) que tienen lugar en la atmósfera de la Tierra y se manifiestan como tiempo o clima. La termodinámica atmosférica utiliza las leyes de la termodinámica clásica para describir y explicar fenómenos como las propiedades del aire húmedo, la formación de nubes, la convección atmosférica, la meteorología de la capa límite y las inestabilidades verticales en la atmósfera. Los diagramas termodinámicos atmosféricos se utilizan como herramientas para pronosticar el desarrollo de tormentas. La termodinámica atmosférica constituye una base para la microfísica de las nubes y las parametrizaciones de la convección utilizadas en los modelos meteorológicos numéricos y se utiliza en muchas consideraciones climáticas, incluidos los modelos climáticos de equilibrio convectivo.
La atmósfera es un ejemplo de un sistema de no equilibrio. [1] La termodinámica atmosférica describe el efecto de las fuerzas de flotación que causan el ascenso del aire menos denso (más cálido), el descenso del aire más denso y la transformación del agua de líquido a vapor (evaporación) y su condensación. Esas dinámicas se modifican por la fuerza del gradiente de presión y ese movimiento se modifica por la fuerza de Coriolis . Las herramientas utilizadas incluyen la ley de conservación de la energía, la ley de los gases ideales , las capacidades caloríficas específicas, el supuesto de procesos isentrópicos (en los que la entropía es una constante) y los procesos adiabáticos húmedos (durante los cuales no se transfiere energía como calor). La mayoría de los gases troposféricos se tratan como gases ideales y el vapor de agua , con su capacidad de cambiar de fase de vapor a líquido, a sólido y viceversa, se considera uno de los componentes traza más importantes del aire.
Los temas avanzados son las transiciones de fase del agua, la nucleación homogénea y no homogénea, el efecto de las sustancias disueltas en la condensación de las nubes, el papel de la sobresaturación en la formación de cristales de hielo y gotitas en las nubes. Las consideraciones sobre el aire húmedo y las teorías de las nubes suelen implicar diversas temperaturas, como la temperatura potencial equivalente, la temperatura de bulbo húmedo y las temperaturas virtuales. Las áreas relacionadas son la transferencia de energía, momento y masa , la interacción de la turbulencia entre las partículas de aire en las nubes, la convección, la dinámica de los ciclones tropicales y la dinámica a gran escala de la atmósfera.
El papel principal de la termodinámica atmosférica se expresa en términos de fuerzas adiabáticas y diabáticas que actúan sobre las parcelas de aire incluidas en ecuaciones primitivas de movimiento del aire, ya sea como parametrizaciones de cuadrícula o de subcuadrícula. Estas ecuaciones forman una base para las predicciones numéricas del clima y el tiempo.
A principios del siglo XIX, termodinámicos como Sadi Carnot , Rudolf Clausius y Émile Clapeyron desarrollaron modelos matemáticos sobre la dinámica de los cuerpos de fluidos y los vapores relacionados con los ciclos de combustión y presión de las máquinas de vapor atmosféricas; un ejemplo es la ecuación de Clausius-Clapeyron . En 1873, el termodinámico Willard Gibbs publicó "Métodos gráficos en la termodinámica de fluidos".
Naturalmente, este tipo de fundamentos comenzaron a aplicarse al desarrollo de modelos teóricos de la termodinámica atmosférica que atrajeron la atención de las mejores mentes. En la década de 1860 aparecieron artículos sobre termodinámica atmosférica que trataban temas como los procesos adiabáticos secos y húmedos . En 1884, Heinrich Hertz ideó el primer diagrama termodinámico atmosférico ( emagrama ). [2] El término proceso pseudoadiabático fue acuñado por von Bezold para describir el aire a medida que se eleva, se expande, se enfría y, finalmente, precipita su vapor de agua; en 1888 publicó un voluminoso trabajo titulado "Sobre la termodinámica de la atmósfera". [3]
En 1911, Alfred Wegener publicó el libro "Thermodynamik der Atmosphäre" (La termodinámica de la atmósfera), de Leipzig, J. A. Barth. A partir de ahí, comenzó a arraigarse la termodinámica atmosférica como rama de la ciencia. El término "termodinámica atmosférica" se remonta a la publicación de Frank W. Very en 1919: "Las propiedades radiantes de la Tierra desde el punto de vista de la termodinámica atmosférica" (Occasional scientific papers of the Westwood Astrophysical Observatory). A finales de los años 70 comenzaron a aparecer varios libros de texto sobre el tema. Hoy en día, la termodinámica atmosférica es una parte integral de la predicción meteorológica.
La circulación de Hadley puede considerarse como un motor térmico. [4] La circulación de Hadley se identifica con el ascenso de aire cálido y húmedo en la región ecuatorial con el descenso de aire más frío en los subtrópicos correspondiente a una circulación directa impulsada térmicamente, con la consiguiente producción neta de energía cinética. La eficiencia termodinámica del sistema Hadley, considerado como un motor térmico, ha sido relativamente constante durante el período 1979~2010, con un promedio de 2,6%. Durante el mismo intervalo, la energía generada por el régimen de Hadley ha aumentado a una tasa promedio de aproximadamente 0,54 TW por año; esto refleja un aumento en la entrada de energía al sistema en consonancia con la tendencia observada en las temperaturas de la superficie del mar tropical .
El comportamiento termodinámico de un huracán puede modelarse como un motor térmico [5] que opera entre el reservorio de calor del mar a una temperatura de aproximadamente 300 K (27 °C) y el sumidero de calor de la tropopausa a una temperatura de aproximadamente 200 K (−72 °C) y en el proceso convierte la energía térmica en energía mecánica de los vientos. Las parcelas de aire que viajan cerca de la superficie del mar absorben calor y vapor de agua, el aire calentado se eleva y se expande y se enfría a medida que lo hace, lo que provoca condensación y precipitación. El aire ascendente y la condensación producen vientos circulatorios que son impulsados por la fuerza de Coriolis , que azotan las olas y aumentan la cantidad de aire cálido y húmedo que impulsa al ciclón. Tanto una temperatura decreciente en la troposfera superior como un aumento de la temperatura de la atmósfera cerca de la superficie aumentarán los vientos máximos observados en los huracanes. Cuando se aplica a la dinámica de huracanes, define un ciclo de motor térmico de Carnot y predice la intensidad máxima del huracán.
La relación de Clausius-Clapeyron muestra cómo la capacidad de retención de agua de la atmósfera aumenta aproximadamente un 8% por cada aumento de temperatura en grados Celsius (no depende directamente de otros parámetros como la presión o la densidad ). Esta capacidad de retención de agua, o " presión de vapor de equilibrio ", se puede aproximar utilizando la fórmula de August-Roche-Magnus.
(donde es la presión de vapor de equilibrio o saturación en hPa y es la temperatura en grados Celsius). Esto demuestra que cuando la temperatura atmosférica aumenta (por ejemplo, debido a los gases de efecto invernadero ), la humedad absoluta también debería aumentar exponencialmente (suponiendo una humedad relativa constante ). Sin embargo, este argumento puramente termodinámico es objeto de un considerable debate porque los procesos convectivos pueden causar un secado extenso debido al aumento de las áreas de subsidencia , la eficiencia de la precipitación podría verse influenciada por la intensidad de la convección y porque la formación de nubes está relacionada con la humedad relativa. [ cita requerida ]
