Table of Contents
שינויי האקלים עומדים כאחד האתגרים המורכבים ביותר של העידן המודרני, הדורש הבנה עמוקה של החוקים הפיזיים השולטים בכוכב הלכת שלנו.בין אלה, תרמודינמיקה מספקת את המסגרת החיונית לניתוח כיצד אנרגיה זורם דרך מערכת כדור הארץ, מזג אוויר מניע, זרמי האוקיינוס ומגמות האקלים לטווח ארוך.ללא יישום קפדני של עקרונות תרמודינמיקה, מודלים אקלים יישארו שלמים, ותחזיות לגבי התחממות עתידית לא יהיה חסר הבסיס הפיזי הדרוש.
תפקיד התרמודינמיקה במדעי האקלים
התרמודינמיקה, המחקר של חום, עבודה, העברת אנרגיה, הוא מרכזי במדעי האקלים כי מערכת האקלים היא ביסודה מערכת אנרגיה.השמש מספקת כמעט את כל האנרגיה שמניעה זרימת אטמוספרית ואוקיינוסית. כיצד האנרגיה הזו נספגת, משתנה, מאוחסנת, ובסופו של דבר קורנת חזרה לחלל קובעת את הטמפרטורה והיציבות של כדור הארץ.
מודלים אקלים הם ייצוגים מספריים של מערכת כדור הארץ אשר פותר משוואות תרמודינמיקה לצד אלה עבור דינמיקות נוזליות, כימיה וביולוגיה. מודלים אלה מחלקים את כדור הארץ לרשת של תאים, כל אחד עם טמפרטורה משלו, לחץ, לחות ומשתנים אחרים. בכל שלב, המודל קובע חילופי אנרגיה בין תאים סמוכים, בין פני השטח לאטמוספירה, ובין כדור הארץ לחלל זה מאפשר לחוקרים להגביר את רמות האנרגיה כדי לשנות את הטמפרטורות הגלובליות.
איזון אנרגיה ומודלים אקלים
מאזן האנרגיה של כדור הארץ הוא נקודת המוצא של כל מודל אקלים.הקרינה הסולארית הנכנסת (גלי גל קצר) משתקפת חלקית על ידי עננים, אווירוסולים, והמשטח, וספגה חלקית.האנרגיה הנספגת מחמם את כדור הארץ, אשר לאחר מכן פולטת קרינה אינפרא אדום (גל ארוך) חזרה אל פני השטח.
מודלים אקלים משתמשים משוואות העברה קורנטיביות הנגזרות מתרמודינמיקה כדי לחדד את זרם האנרגיה הנקי בכל נקודה באטמוספירה.משוואות אלה מהוות את נקודת הספיגה והפליטה של גזי חממה, את הפיזור של אור השמש על ידי אווירוסולים, ואת המאפיינים הרהרטיביים של עננים וקרח.על ידי פתרון מאזן האנרגיה - שבו קרינת גלי קצרים נספגת שווה לקרינה ממושכת בגל - מודלים של אנרגיה חדשה, כאשר הוא יכול לקבוע את האיזון של כדור הארץ הוא מאיזון, כאשר הוא מוביל את האיזון אנרגיה.
הרעיון של כוח קורנטיבי לכפות לכמת את ההפרעה הזו.הכוח הרדיטיבי הוא השינוי בשטף האנרגיה הנקי בחלק העליון של האווירה הנגרמת על ידי נהג אקלים, כגון הגדלת CO2.שימוש בעקרונות תרמודינמיקה, מדענים יכולים לחשב כי הכפלת CO2 מרמות קדם-תעשייתיות גורמת גם לקרינה מיידית של כ-3.7FLT:0W/mLT1 התגובה הידועה של ענן, כמו משוב תרמודינמיקה, כמו גם על ידי איזון, כמו גם על ידי איזון אווירי.
תהליכי העברת חום במערכת האקלים
התרמודינמיקה מזהה שלושה מצבי יסוד של העברת חום: התנהגות, הדבקה וקרינה.כל השלושה פועלים במקביל במערכת האקלים, ומודלי האקלים חייבים לייצג כל אחד עם פרמטרים מתאימים.
התנהגות
התנהגות היא העברת חום באמצעות מגע מולקולרי ישיר. במערכת האקלים, התנהגות מתרחשת בעיקר בתוך הקרקע, הסלע והקרח.זהו תהליך איטי אך חשוב לאחסון אנרגיה באדמה.לדוגמה, גל הטמפרטורה עונתי חודר רק כמה מטרים לתוך הקרקע בשל ההיקף התרמית הנמוכה של חומרי אקלים כדור הארץ.
« ction
קונסורציה היא מנגנון העברת החום הדומיננטי באווירה ובאוקיאנוסים.זה כרוך בתנועה אנכית של חבילות נוזל עקב הבדלים של buoyancy הנגרמים על ידי חימום או קירור. כאשר השמש מחמם את פני השטח, האוויר ליד הקרקע הופך חם פחות צפוף, עולה ויצירת updrafts. כמו האוויר עולה, מרחיבה וקרקרים, פוטנציאל הדבקה מים לתוך עננים ומאוחר שחרור זה מאוחר יותר, סופת חום, קירור תאים.
מודלים אקלים מייצגים הדבקה באמצעות פרמטרים המנציחים את התחבורה האנכית של חום, לחות ומומנטום.המודלים המתקדמים ביותר משתמשים בטכניקות לפתרון ענן אשר מדמות במפורש תהליכים מקיפים, אבל אפילו אלה מסתמכים על משוואות שימור תרמודינמיקה כדי להבטיח עקביות אנרגיה.ללא תוכניות הדבקה מדויקות, מודלים לא יכולים לשחזר את ההפצה של גשם, את העוצמה של סערות טרופיות, או תחבורה של חום של הקוטבים כדי למנוע את הקוטביות טרופיות.
קרינה
קרינה היא העברת אנרגיה באמצעות גלים אלקטרומגנטיים.השמש פולטת קרינה גלית קצרה, בעוד כדור הארץ פולט קרינה גלית ארוכה.התרמודינמיקה שולטת בהתפלגות ספקטרלית של קרינה של גוף שחור (חוק של Planck), הכוח הכולל פולט (Stefan-Boltzmann) ואורך הגל של פליטת שיא (חוק העקירה של וויאן) אלה מייד מודיעים ישירות על מודלים אקלים: מדינות סטפאן-ברידיות יכולות לייצבות יותר חום, אך הן מגבירות את הטמפרטורה הרביעית של מזג האוויר, אך הן חום, אך הן יכולות לטמפרטורות חום גבוהות יותר, אך הן חום יותר, אך הן חום יותר, אך הן מהירות גבוהה יותר, אך הן מטמפרטורה של מזג האוויר, כך שגורמות לטמפרטורות גדולות יותר, אך הן גבוהות יותר, אך הן גבוהות יותר, אך מהירות הגל של קרינה של קרינה תת-קרקעיות, כך שגורמות לטמפרטורות אוויריות של קרינה של קרינה תתייצבות, אך בטווח הארוך, כך שגורמות לטמפרטורות אוויריות, אך בטווח הארוך, כך שגורמות לטמפרטורות אוויריות של קרינה תתייצבות יותר, אך בטווח הארוך, כך שגורמות לטמפרטורות אוויריות, כך שהתחממות כדור הארץ, אך בטווח הארוך, כך שגורמות להתחממות כדור הארץ, כך שהתחממות
מודלים של העברת רדיטיבי בשימוש בסימולציות אקלים לפתור את משוואה העברת הרדיואקטיבית עבור להקות ספקטרליות מרובות, חשבונאות עבור ספיגה ופיזור על ידי גזים, אווירוסולים, ועננים. הטיפול בעננים הוא מאתגר במיוחד משום שתכונות הרדיואקטיביות שלהם תלויות בגודל טיפות, תוכן מים נוזלי וגובה - כולם מושפעים על ידי תרמודינמיקה.
חוקי התרמודינמיקה יישומיים לאקלים
שלושת החוקים של התרמודינמיקה מספקים את המגבלות הבסיסיות לכל תהליכי האקלים.
החוק הראשון של התרמודינמיקה באקלים
החוק הראשון קובע כי אנרגיה נשמרת במערכת האקלים, כלומר האנרגיה הכוללת (הפנימית, הקינטית, הפוטנציאל והמאוחר) יש לקחת בחשבון את המודלים האקלימיים הראשונים על ידי חישוב תקציב האנרגיה בכל נקודה ברשת: שינוי באנרגיה פנימית שווה חום נוסף, מינוס עבודה מינוס.משוואה זו נפתרה לטמפרטורה, אשר ניזינה חזרה לקרינה של המודלים, הדבקה, דינמיקה של התחממות כדור הארץ, אך היא גם כן גבוהה יותר מ-90% מההתחממות כדור הארץ הוא מהתחממות כדור הארץ.
החוק השני של התרמודינמיקה והאנוטרופיה
החוק השני קובע כי אנטרופיה - מדד של הפרעה - תמיד עולה במערכת מבודדת. במערכת כדור הארץ, אשר פתוחה לאנרגיה סולארית אך סגורה לחומר, החוק השני שולט בכיוון של זרימת האנרגיה ויעילות של מנועי חום.האווירה והאוקיינוסים פועלים כמנועי חום, מה שממיר אנרגיה תרמית לאנרגיה קינטית למניעים ולזרמים.
אנטרופיה יש גם השלכות על חיזוי האקלים.התנהגות טורבולנטית וכאוטי באווירה הם ביטויים של החוק השני; הם מציבים גבולות יסודיים על כמה רחוק במזג האוויר מראש יכול להיות חיזוי.מודלים אקלים חייבים לפרמטר תהליכים בקנה מידה תת-מידה כגון זעזוע, הדבקה, ופירוק בדרכים כיבוד החוק השני, להבטיח כי ייצור אנטרופיה עקבי עם פיזיקה אמיתית.
שינויים לא עקביים ושלב
שינויים בשלב של מים - הערכה, נפיחות, נשגב, הקפאת, והמסיסה - בכמויות גדולות של חום מאוחר.התרמודינמיקה מתארת את הנטל של המעברים האלה.לדוגמה, evaporing מים שלב דורש כ-2260 J/g של אנרגיה, אשר נספג מן הסביבה, קירור פני השטח. כאשר מים ריקים בעננים מאוחר, מדמיינתים את אותם סערות חום, כולל התחממות מאוחרת.
יישומים של התרמודינמיקה בחיזוי אקלים
עקרונות התרמודינמיקה משולבים בכל היבט של תחזית אקלים, מתחזיות מזג אוויר קצרות טווח ועד לתחזיות אקלים בקנה מידה של המאה.
אירועים מזג אוויר קיצוניים
גלי חום, בצורתם ואירועי גשם כבדים קשורים ישירות למגבלות תרמודינמיקה.משוואה קלאוסוליוס-קלירון, שמקורן התרמודינמיות, קובע כי לחץ הנפיחות של מים עולה באופן אקספונמי עם טמפרטורה - כ 7% לדרגה Celsius.זה אומר שאווירה חמה יותר יכולה להכיל לחות חממה, מה שמוביל למשקעים אינטנסיביים יותר כאשר סערות אקלים משתמשות זו לטמפרטורות קיצוניות תחת התחממות קיצונית וסימולציה של תאים, כמו גם בטמפרטורות חום קיצוניות, כמו גם התחממות קיצונית.
Sea-Level Rise and Oceanהתחממות
התרמודינמיקה מסבירה שני תורמים עיקריים לעליית פני הים: הרחבה תרמית של מי הים והיתוך של קרח הקרקע. כמו האוקיינוס חם, נפח שלה עולה עקב ההתרחבות התרמית של מי הים.מודלים אקלים משלבים את החום עלייה מן פני השטח למטה דרך עמוד המים באמצעות מדפים תרמודינמיקה, פרויקט התרחבות תרמית יהווה בערך שליש של עליית פני הים בעתיד.
מגמות אקלים ארוכות טווח ו- Feedback Loops
רגישות אקלים - כמות ההתחממות מכפלת CO2 - נקבעת בעיקר על ידי תהליכי משוב שהם תרמודינמיקה בטבע. משוב חיובי מגביר את ההתחממות: משוב מים (אוויר חם מחזיק יותר מים פנוי, שהוא גז חממה), משוב גלי קרח (לחתוך 4.5C) מייצר משובים אקלים עמוק, גורם יותר ספיגה סולארית), וענן (האפקט הנקי של עננים נשאר בטוח לחלוטין, אך ורק מטווח שלילי של קרינה) הוא מגובה של 1.5 מעלות צלזיוס (מקלט חום) הוא מגובה, כלומר, כלומר, כלומר, הוא מעל פני השטח של חומר לחץ דם שלילי, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, ירידה של כל תוספת של חומר מגובה של כדור הארץ, ירידה של 1.5 מעלות צלזיוס, מגובה של מעל פני השטח של משקל, ירידה במשקל של 1.5 מעלות צלזיוס, ירידה של 1.5 מעלות צלזיוס, ירידה במשקל של משקל, ירידה במשקל של 4.
אתגרים ב-Thermodynamic Climate Modeling
למרות הבסיס התיאורטי המוצק, מודלים של התרמודינמיקה של מערכת האקלים מציג אתגרים עצומים.
אי-לינאריות ו Chaos
המשוואות המתארות תנועה נוזלית ותרמודינמיקה הן לא לינאריות, כלומר שינויים קטנים בתנאים הראשוניים יכולים להוביל לתוצאות שונות מאוד - אפקט פרפר ידוע, הכאוס הזה מציב גבולות יסודיים על חיזוי, במיוחד עבור מזג אוויר מעבר לשבועיים.מודלים אקלים רגישים פחות לתנאים הראשוניים מאשר מודלים מזג אוויריים כי הם בממוצע על הרבה תנודות כאוטיות, אבל לא לינאריות עדיין לייצר גמישות פנימית שיכולה לערפל מגמות ארוכות, הדורשות גבוהה, אשר דורשות גבוהה יותר, אשר דורשות חישוביתות גבוהה, אשר דורשות גבוהה יותר, אשר דורשות מורכבות.
ייצוג תהליכים תת-Grid-Scale
מודלים אקלים יש פתרון מרחבי סופי (בדרך כלל 25-100 ק"מ עבור מודלים גלובליים) תהליכים תרמודינמיקה חשובים רבים - הדבקה, מיקרופיזיקה בענן, זעזוע, שכבת גבול ערבוב - מתרחשת בקנה מידה קטן בהרבה מהתא הרשת. אלה חייבים להיות מיוצגים באמצעות פרמטרים כי שיפור ההשפעה נטו שלהם. פיזור הם סימולטורים המציגים אי הוודאות.
Ocean-Atmosphere Coupling ו- Heat Transport
האוקיינוס והאטמוספירה מחליפים חום, לחות, ומומנטום על פני פני הים.ההפיכה הזו כוללת תהליכים תרמודינמיים כגון evaporation, העברת חום הגיונית, וחילופי קרינה.זרמים באוקיינוס מעבירים כמויות עצומות של חום מהטרופיים ועד לקווי הרוחבים גבוהים יותר, המשפיעים על מחזור אטמוספירי חום ואקלים.
המונחים: constraints
הפעלת מודל מערכת כדור הארץ מלא עם רזולוציה גבוהה ותרמודינמיקה מורכבת היא תובענית מאוד. סימולציה של מאה אחת יכולה לדרוש מיליוני שעות מעבד על מחשב על מחשב על-מחשב, זה מגביל את מספר הסימולציות שניתן לבצע ואת השיעור שבו ניתן לבדוק שיפורים לעתים קרובות. חוקרים משתמשים במודלים פשוטים, כגון מודלים של איזון אנרגיה (אשר מזקקים תרמודינמיקה לכמה משוואות), כדי לחקור במהירות, אבל אין פרטים אלה הדרושים עבור אזוריים.
כיוונים עתידיים ב-Thermodynamic Climate Modeling
התקדמות בכוח מחשוב, נתונים תצפיתיים, והבנה תיאורטית מניעה שיפורים כיצד התרמודינמיקה משולבת במודלים של אקלים.
מודלים של רזולוציה גבוהה ו- Convection-Permitting Models
כיוון מבטיח אחד הוא להגדיל את החלטת המודל לנקודה שבה ניתן לדמות באופן מפורש ולא פרמטר. מודלים של ריכוז-היתר על ידי רשת ספאקים של 1-4 ק"מ עכשיו אפשרי עבור תחומים אזוריים והם מתחילים לשמש עבור סימולציות גלובליות.מודלים אלה פותרים ישירות את משוואות תרמודינמיקה עבור הדבקה, חיסול של הרבה אי-ודאות הקשורות לפרמטרים מוקדמים.
Machine Learning and Thermodynamic Parameterizations
טכניקות למידת מכונות משמשות לפיתוח פרמטרים מדויקים ויעילים יותר חישוביים של תהליכים תרמודינמיים.על ידי הכשרת רשתות עצביות על תפוקה מודל ברזולוציה גבוהה או נתונים תצפיתיים, החוקרים יכולים ליצור חיקויים שלוכדים את ההתנהגות הלא ליניארית של קונוטציה, מיקרופיזיקה בענן, וזעזועים. פרמטרים נלמדים אלה יכולים להיות מוטבעים במודלים של אקלים משותף, תוך צמצום הטיות פוטנציאלי תוך שמירה על מהירות.
ייצוג טוב יותר של Aerosol Thermodynamics
Aerosols - חלקיקים אינטנסיביים באווירה - אקלים מושפע על ידי פיזור וקליט קרינה ועל ידי הפעלת כמו condensation nuclei. שלהם תכונות תרמודינמיקה שלהם, כגון צמיחה היגרוסקופית ומעברי שלב, הם קריטיים עבור חישוב כוחם הרדיואקטיבי ואפקטים עקיפים על עננים.מודלים חדשים מדמיינו במפורש את האבולוציה הכימית והתרמודינמית של אוכלוסיות אווירוסולמות, המוביל לחיזוי מציאותי יותר של צמחים (אפקטים) מהשפעות אקלים.
תצפית על לוויינים ו-Situ Data
משימות לוויין כגון נאס"א:0) ,50 שמירה על מערכת השמשה של נאס"א 1 לספק מדידות גלובליות של קרינה, טמפרטורה, לחות ותכונות ענן חיוניות לאימות מודלים תרמודינמיקה.השילוב של תצפיות אלה למודלים באמצעות הטמעת נתונים משפר את התנאים הראשוניים ומסייע לזהות חולשות בפרמטרים תרמודינמיים.
מסקנה
התרמודינמיקה אינה רק מושג תומך במדעי האקלים; היא המסגרת הפיזית המרכזית השולטת בזרימה והטרנספורמציה של אנרגיה בתוך מערכת כדור הארץ.מקליטת קרינה סולארית לשחרור חום סמוי בסערות, מההתרחבות התרמית של האוקיינוסים ועד לתנודות משוב כי מגבירים או לחות, עקרונות תרמודינמיים תחת כל תהליך מרכזי שמודלים אקלים מבקשים לחקות את הדיוק של תהליכי ההתחממות המשתנים הללו, תוך שיפור מתמיד של תהליכי הפחתת רמת הפחתת רמת ההתחממות והשיפור של מערכות הביטחון של תהליכי הגמישות של תהליכי המשתנים והשיפור של תהליכי המשתנים של מערכות הביטחון המשתנים, תוך כדי שמירה על פני כדור הארץ.