İklim değişikliği, modern çağın en karmaşık zorluklarından biri olarak, gezegenimizi yöneten fiziksel yasaların derin bir anlayış talep ediyor. Bu arasında termodinamikler, Dünya sistemi aracılığıyla enerji akışlarının nasıl ilerlediğini analiz etmek için temel çerçeveyi sağlıyor, hava, okyanus akımları ve uzun vadeli iklim eğilimlerini analiz ediyor.

İklim Bilimindeki Termodinamiklerin Rolü

Termodinamik, ısı, çalışma ve enerji transferinin incelenmesi, iklim bilimi için merkezidir, çünkü iklim sistemi temel olarak enerji sistemi ile ilgilidir. Güneş, atmosfer ve okyanussal dolaşıma giden tüm enerjiyi taklit eder, depolanır ve sonunda uzayın ortalama sıcaklık ve iklim istikrarını belirlemek için geri döner.

İklim modelleri, termodinamik denklemleri akışkan dinamikler, kimya ve biyoloji için birlikte çözen Dünya sisteminin sayısal temsilleridir. Bu modeller gezegenin kendi sıcaklık, basınç, nem ve diğer değişkenlerle nasıl artırılacağına ilişkin araştırmayı sağlar.Her seferinde, bitişik hücreler arasındaki enerji değişimlerini, yüzey ve atmosfer arasındaki ve Dünya ile uzay arasındaki modeller.

Enerji Dengesi ve İklim Modelleme

Dünya enerji dengesi, herhangi bir iklim modeli için başlangıç noktasıdır.Gelen güneş radyasyonu (kısa) kısmen bulutlar, aerosoller ve yüzey tarafından yansıtılır ve kısmen absorbe edilir. Bu işlem, daha sonra da yüzeye doğru yayılan enerji ısıtılır.

İklim modelleri, enerji dengesini her noktada her noktada hava kirliliğini hesaplamak için radiative transfer denklemlerini kullanır.Bu denklemler, Dünya'nın denge sıcaklığı için hesap verebilirler.

radiative kavramı bu kesintiyi ölçmektedir. Radiative zorlama, net enerji flux'ta iklim sürücüsünün en üst kısmındaki değişimdir, CO2 olarak da bilinir. Termodinamik ilkeleri kullanarak, bilim adamları CO2'yi prematüre düzeylerden hesaplayabilirler, su geri bildirim ve bulut geri bildirim gibi.

İklim Sisteminde ısı Transferi Süreçleri

Termodinamik üç temel ısı transfer modlarını tanımlar: iletim, konveksiyon ve radyasyon. Tüm üç aynı anda iklim sisteminde çalışır ve iklim modelleri uygun parametrelemelerle her birini temsil etmelidir.

Davranış

Davranış, doğrudan moleküler temas yoluyla ısı geçişidir. İklim sisteminde, iletkenlik öncelikle toprak, kaya ve buz içinde meydana gelir. Bu, zemindeki enerji depolaması için yavaş bir süreçtir. Örneğin, mevsimsel sıcaklık dalgası sadece birkaç metreye kadar toprağa nüfuz eder.

Convection

Konveksiyon atmosfer ve okyanuslarda baskın ısı transfer mekanizmasıdır. Hava yükselir, su buharının bulutlara yol açtığı ve geç ısındığı ısı geçişi. Güneş ısı geçişi, zeminin yakınında havanın daha sıcak ve daha az olması, ve küresel dolaşım hücreleri (Hadley, Ferrel, Polar)

İklim modelleri, ısı, nem ve momentumun dikey ulaşımını hesaplamak için parametrelemeler ile birlikte temsil eder.En gelişmiş modeller, açıkça konvektif süreçleri taklit eden bulut çözme tekniklerini kullanır, ancak bu bile enerji tutarlılığı sağlamak için termodinamik koruma denklemlerine güvenir. Doğru konveksiyon şemaları olmadan, modeller tropikal fırtınaların gücünü veya tropik fırtınalardan ısının gücünü veya kutuplardan gelen ısının taşınmasını sağlar.

Radyasyon Radyasyon Radyasyon Radyasyon

Radyasyon, elektromanyetik dalgalar aracılığıyla enerji transferidir. Güneş kısa dalga radyasyonu yayıyor, Dünya uzun dalga radyasyonu yayıyorken. Thermodynamics, karabi radyasyonun (Planck'ın yasası) dördüncü enerjiye göre, bu yüzden sıcaklık artışı büyük bir artış, iklimde büyük bir artış, iklim değişikliğini daha sıcak okyanusların iklim modellerini daha sıcak hava kirliliğini sağlar.

İklim simülasyonlarında kullanılan Radiative transfer modelleri, çoklu ⁇ grupları için radiative transfer denklemlerini çözer, gazlar, aerosoller ve bulutlar tarafından dağıtılır. Bulutlu özellikler özellikle de yüksek çözünürlükte, sıvı su içeriğine bağlıdır ve yüksekliklere bağlıdır - tüm bunlar buluta bağlı olarak hatalara yol açar.

Termodinamik Yasalar İklime Uygulanan

Termodinamik'nin üç yasası tüm iklim süreçleri için temel kısıtlamalar sağlar.

İklim Değişikliğinin İlk Yasası İklim Değişikliği

İlk yasa, enerjinin her bir noktada korunduğunu belirtir: İç enerjide yapılan toplam enerji (iç, kinetik, potansiyel ve geçnt) için hesaplanmalıdır. İklim modelleri, okyanus ısı içeriğinin neden her bir kritik iklim ölçümünü hesaplarken ilk yasayı uygular: iç enerjide yapılan net ısının% 90'ından fazla olduğu gibi, atmosferdeki gazların ısıtılması, ancak uzun vadeli bir ısınma hızına geri beslemesi gerekir.

Termodinamik ve Entropy'nin İkinci Yasası

İkinci yasa entropiyi – bir bozukluk ölçütünü belirtir – ısı motorları, ısı enerjisinin ısıtılması ve mevcut akışların en yüksek verimli hale getirilmesi için ısındığı ısı enerjisinin ısı geçişi ile ısındığı ısı geçişi arasındaki farka bağlıdır.

Entropy ayrıca iklim tahmin edilebilirliği için de etkileri var.Turbulent atmosferdeki kaotik davranışların ikinci yasanın tezahürleri olduğu gibi; önceden hava durumu tahmin edebileceğiniz gibi temel sınırlar belirlediler. İklim modelleri, türbülans, konveksiyon ve dalga kırılma gibi alt ölçekli süreçleri, ikinci yasaya saygı göstermek, bu üretimin gerçek dünya fizikleriyle tutarlı olmasını sağlamak.

Geçme Heat ve Faz Değişiklikleri

Su faz değişiklikleri - buharlaşma, su, çevreden absorbe edilen 2260 J /g, bulutların içine karıştığı zaman, aynı latent ısıyı açıklar.Bu geç ısı serbest bırakma ısısı, fırtınalar için birincil enerji kaynağıdır, fırtınalar ve orta-yaratıcılar için, iklim modellerinin doğru şekilde yüzeysel değişiklikleri doğru bir şekilde simüle etmek gerekir.

İklim Önleminde Termodinamik Uygulamaları

Termodinamik ilkeleri iklim tahmininin her alanına entegre edilir, kısa vadeli hava tahminlerinden yüzyıl geniş iklim projeksiyonlarına kadar.

Aşırı Hava Olaylarını Tahmin Etmek

Sıcaklık dalgaları, kuraklıklar ve ağır yağış olayları doğrudan termodinamik kısıtlamalarla bağlantılıdır. Clausius-Clapeyron denklemi, termodinamiklerden elde edilen bu ilişkiyi gelecekteki ısınma senaryolarında aşırı yağışlarda artışlar elde ettiği anlamına gelir.

Deniz-Level Rise ve Ocean Iklim

Termodinamik, deniz seviyesindeki iki ana katkıyı açıklıyor: Sualtının termal genişlemesi ve arazi buzunun erimesi olarak, okyanus ısıtılması nedeniyle hacimler, deniz suyunun termal genişlemesinin katlanmasıyla ısınıyor. İklim modelleri ısıyı ısıtıyor, ısı geçişi ile ısınıyor, bu ısı geçişinin gelecekteki deniz seviyesinin üçte biri için hesaplanacağına dikkat çekiyor.

Uzun süreli iklim Trendleri ve Geri Bildirim Halkaları

İklim duyarlılığı - CO2'nin bir dozundan gelen ısı miktarı - büyük ölçüde doğanın termodinamik olan geri bildirim süreçleri tarafından belirlenir. Olumlu geri bildirimler ısıtılır: su buharı geri bildirim (savaşçı hava daha fazla su buharı tutar), buz-albedo geri bildirim (daha fazla enerji azaltımı, daha fazla geri dönüşüm, daha fazla güneş absorpsiyonu) ve bulut geri bildirimleri (toplama) Bu tür bir iklim değişikliğinin önemli bir odak noktası, iklim değişikliğinin yol açtığı gibi olumsuz geri dönüşleri, iklim değişikliğinin son derecesinde, tüm iklim değişikliğinin genel olarak sıraladığı gibi.

Termodinamik İklim Modelindeki Zorluklar

Katı teorik temele rağmen, iklim sisteminin termodinamiğinin ortaya çıkabilecek zorluklara yol açıyor.

Nonlinearity and Kaos

Akışkan hareket ve termodinamik tarif eden denklemler, ilk koşullarda küçük değişiklikler, zorlanmış kelebek etkisine yol açabilirler. Bu kaos, özellikle iki hafta ötesinde hava modellerine daha az hassastır, çünkü ortalama birçok kaotik dalgalanmalar üzerinde küçük değişiklikler hala zorlanabilen içsel özellikler üretebilir.

Sub-Grid-Scale Süreçlerini Yeniden Görmek

İklim modelleri, sonlu bir uzaysal çözümüne sahiptir (tipik olarak 25-100 km küresel modeller için). Parametrelerin belirsizleştirilmesi, bulut mikrofizik, türbülans, sınır tabakası karıştırması - bulut geri beslemesini önemli ölçüde ölçeklendirmelerini etkiler. Bu nedenle bu parametreleştirmeleri, yüksek çözünürlüklü ve gözlemsel verilere dayanan araştırma alanlarıyla ilgili aktif bir alandır.

Ocean-Atmosphere Coupling ve Heat Transport

Okyanus ve atmosfer ısısı ısı, nem ve deniz yüzeyi boyunca momentum. Bu darbe, atmosfersel bir genel dolaşım modeli (AGCM) gibi termodinamik akışlar ile, her zaman çok sayıda ısı taşır.

C ⁇ Constraints

Yüksek çözünürlüklü ve karmaşık termodinamik ile tam bir Dünya sistemi modeli yürütmek son derece hesaplamalı. Tek bir yüzyıl boyu simülasyon, süper bilgisayar üzerinde milyonlarca işlemciye ihtiyaç duyabilir, ancak bu, bölgesel projeksiyonlar için gerekli olan simülasyonların sayısını sınırlandırır. Araştırmacılar genellikle basitleştirilmiş modelleri kullanır, enerji dengesi modelleri (bu distill termodinamikleri birkaç denklemlere) gibi, senaryoları hızlı bir şekilde araştırmak için gerekli olan detayların sayısını azaltır.

Future Yolları Termodinamik İklim Modeling

Bilgisayar gücü, gözlemsel veriler ve teorik anlayış, termodinamiklerin iklim modellerine nasıl dahil edildiği konusunda gelişmeler yaratıyor.

Yüksek Çözünürlük ve Eşleştirme-Peran Modeller

Bir umut verici yön, derin konveksiyonun parametreli olarak tanımlanmasının yerine açıkça simülasyon olabileceği noktaya model çözünürlüğünü artırmaktır. 1-4 km şebeke ile ilişkili birçok belirsizliği ortadan kaldırmak için şimdi bölgesel alan için uygulanabilir ve küresel simülasyonlar için kullanılmaya başlanır.Bu modeller doğrudan termodinamik denklemleri bir araya getirir, parametrelemelerle ilişkili birçok belirsizliği ortadan kaldırır. Erken sonuçlar ortaya çıkarır.

Makine Öğrenme ve Termodinamik Parametreler

Makine öğrenme teknikleri, konveksiyonun doğrusal olmayan davranışını yakalamak için kullanılır ve bu öğrenilen parametrelemeler, yüksek çözünürlüklü model çıktı veya gözlemsel verilerle, araştırmacılar, doğrusal olmayan davranışları yakalamakta ve türbülansbütünleştirici olarak kullanılabilir.Bu öğrenme parametreleri, yüksek çözünürlüklü iklim modellerinde gömülür.

Aerosol Termodinamik'nin Daha İyi Temsilasyonu

Aerosols – atmosferdeki partiküller – radyasyonu saçarak ve absorbe ederek iklime sahiptir ve bulut tıkanıklıkları gibi hareket ederler. termodinamik özellikleri, hiposkopik büyüme ve faz geçişleri gibi, radiative zorlamalarını ve dolaylı etkilerini bulutlar üzerinde hesaplamak için kritik olacaktır. Yeni modeller açıkça aerosol popülasyonlarının kimyasal ve termodinamik evrimlerini simüle eder ve emisyonlarda değişikliklerin nasıl değiştiğinin daha gerçekçi tahminlerine yol açar (örneğin, enerji santrallerinden sulfate)

Uydulardan ve Situ Data'dan Gözlemsel Kıtlamalar

NASA'nın 03. Dünya Observing System[[DÜDÜT:1) gibi uydu misyonları, sıcaklık, nem ve bulut özellikleri, termodinamik modelleri doğrulayan modeller için temel olan modeller ile ilgili olarak, bu gözlemlerin entegrasyonu ilk koşulları geliştirir ve termodinamik parametrelemelerdeki zayıflıkları tanımlamaya yardımcı olur. Örneğin, model-simli uzun dalga radyasyonun modelleriyle karşılaştırılır.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Termodinamik sadece iklim biliminde destek kavramı değildir; bu, Dünya sistemi içindeki enerjinin akışını ve dönüşümünü yöneten merkezi fiziksel çerçevedir. Güneş radyasyonunun aşırı ısının geçiş ve masyon kararlarının serbest bırakılmasından, bu modellerin ısı ve enerjinin temel yasalarını nasıl yakalayacağı konusunda bilgi sahibi olur.