أكثر

11.9: كيف تتحرك التدفقات الحركية الهواء عموديًا - علوم الأرض

11.9: كيف تتحرك التدفقات الحركية الهواء عموديًا - علوم الأرض


الآن بعد أن عرفنا كيفية فصل الأجزاء المتوسطة والمضطربة ، يمكننا إلقاء نظرة على مفهوم التدفق الحركي. بشكل عام في علم الأرصاد الجوية ، نهتم بالمتغيرات مثل الكتلة والحرارة (أي درجة الحرارة) والطاقة الحركية والرطوبة والزخم. يهتم أولئك الذين يدرسون تكوين الغلاف الجوي أيضًا بتدفق المواد الكيميائية المنبعثة في الغلاف الجوي من السطح وتدفق الملوثات الجوية ، مثل الأوزون ، إلى سطح الأرض. في هذه المناقشة ، دعونا ننظر فقط في التدفقات ذات الصلة المباشرة بالأرصاد الجوية.

لذا فإن وحدات Sl للتدفقات التالية ستكون ( mathrm {kg} mathrm {m} ^ {- 2} mathrm {s} ^ {- 1} ) للكتلة ((m) ) ( mathrm {kg} _ { text {water}} mathrm {m} ^ {- 2} mathrm {s} ^ {- 1} ) للرطوبة ( left (m_ {y} right) ؛ left ( mathrm {kg} ، mathrm {m} mathrm {s} ^ {- 1} right) mathrm {m} ^ {- 2} mathrm {s} ^ {- 1} = mathrm {kg} ، mathrm {m} ^ {- 1} mathrm {s} ^ {- 2} ) للزخم ((mv) ، ) و ( mathrm {J} mathrm {m } ^ {- 2} mathrm {s} ^ {- 1} ) للحرارة ( left (m c_ {p} T_ {v} right) ) أو ( mathrm {W} mathrm { م} ^ {- 2} ) (تمامًا مثل الإشعاع).

يمكننا كتابتها بالصيغة الحركية بالقسمة على كثافة الهواء:

  • الكتلة الحركية ( mathrm {flux} = left ( mathrm {kg} ، mathrm {m} ^ {- 2} ، mathrm {s} ^ {- 1} right) / left ( mathrm {kg} ، mathrm {m} ^ {- 3} right) = mathrm {m} mathrm {s} ^ {- 1} )
  • الرطوبة الحركية ( mathrm {flux} = left ( mathrm {kg} _ { text {water}} mathrm {m} ^ {- 2} mathrm {s} ^ {- 1} right) / left ( mathrm {kg} _ { text {air}} mathrm {m} ^ {- 3} right) = mathrm {kg} _ { text {water}} mathrm {kg} _ { text {air}} ^ {- 1} mathrm {ms} ^ {- 1} )
  • الزخم الحركي ( mathrm {flux} = mathrm {kg} mathrm {m} ^ {- 1} mathrm {s} ^ {- 2} / left ( mathrm {kg} mathrm {m} ^ {-3} right) = mathrm {m} ^ {2} mathrm {s} ^ {- 2} )

إلى عن على التدفق الحراري الحركي، عادةً ما يتم تقسيم التدفق الحراري على كثافة الهواء مضروبة في الحرارة النوعية للهواء لإعطاء وحدات من ( left ( mathbf {J} mathbf {m} ^ {- 2} mathbf {s} ^ {- 1 } right) / left ( mathbf {k} mathbf {g} mathbf {m} ^ {- 3} mathbf {J} mathbf {k} mathbf {g} ^ {- 1} mathbf {K} ^ {- 1} right) = mathbf {K} mathbf {m} mathbf {s} ^ {- 1}. ) لاحظ أن هذه درجة حرارة مضروبة في السرعة.

غالبًا ما يتم إسقاط كلمة "حركي" وافتراضها.

دعونا نلقي نظرة على التدفق الحراري الحركي في الاتجاه الرأسي. أيضًا ، نحن مهتمون بالنقل العمودي للطاقة الحرارية ، ولذلك لا نريد التفكير في التباين الحراري في درجة الحرارة بسبب الحركة الرأسية ، نظرًا لأن درجة حرارة طرد الهواء تنخفض مع الارتفاع حتى في صعود ثابت الحرارة. يمكننا تحقيق ذلك باستخدام درجة الحرارة المحتملة وليس درجة الحرارة الافتراضية ، والتي تنخفض مع الارتفاع بشكل ثابت بينما درجة الحرارة المحتملة ثابتة مع الارتفاع. θ لا يساوي تي باستثناء 1000 هيكتوباسكال ، لذلك علينا أن نضع ذلك في الاعتبار.

اكتب التعبير عن التدفق الرأسي لدرجة الحرارة المحتملة ، والتي تساوي الرياح الرأسية مضروبة في درجة الحرارة المحتملة ، ثم خذ متوسط ​​رينولدز لهذا التدفق:

[ overline {w theta} = bar {w} bar { theta} + overline {w ^ { prime} theta ^ { prime}} ]

المصطلح الأول على اليمين هو التدفق الرأسي لدرجة الحرارة المحتملة بسبب متوسط ​​الحركة الرأسية ، ولكن ث ~ 0 في المتوسط ​​في الطبقة الحدودية ، لذلك يمكننا عادةً إسقاط المصطلح الأول على اليمين.

دعونا نفكر في كيفية عمل هذا التدفق في نقل الطاقة الحرارية. الشرط النموذجي للطبقة الحدودية المختلطة هو طبقة فائقة الإشعاع بالقرب من السطح الساخن (أي ، θ يتناقص مع الارتفاع).

دعونا نلقي نظرة على الحالات المختلفة.

حالة النهار مع تسخين السطح مثل ( جزئي ثيتا / جزئي ض <0 ) (كما في الشكل أعلاه). يمكن أن يجعل Eddies أماكن التجارة الجوية. ينقلون بعض الطرود الجوية للأسفل ،

لـ [w ^ { prime} <0 ] و [ theta ^ { prime} <0: overline {w ^ { prime} theta ^ { prime}}> 0 ]

وفي نفس الوقت حرك البعض للأعلى ،

لـ [w ^ { prime}> 0 ] و [ theta ^ { prime}> 0: quad overline {w ^ { prime} theta ^ { prime}}> 0 ]

كلتا العمليتين تحدثان في وقت واحد. إذا اختلطت طرود الهواء على ارتفاعاتها الجديدة ، فإنها تحرك الهواء البارد إلى الأسفل (اللوحة اليسرى في الأعلى) أو الهواء الأكثر دفئًا (اللوحة اليمنى أعلاه) وفي كلتا الحالتين ، فإنها تحرك الحرارة. وهكذا ، عندما تنخفض درجة الحرارة المحتملة مع الارتفاع (أي ، فوق الإشعاعي الفائق) ، فإن الدوامات المضطربة تحرك الهواء الدافئ لأعلى ويكون تدفق الحرارة موجبًا.

حالة ليلية مع تبريد السطح مثل ∂θ / z> 0∂θ / ∂z> 0 (انظر الشكل أعلاه). Eddies يجعلون أماكن تجارة الطرود الجوية عموديًا. ينقلون بعض الطرود الجوية للأسفل ،

لـ [w ^ { prime} <0 ] و [ theta ^ { prime}> 0: overline {w ^ { prime} theta ^ { prime}} <0 ]

وبعض ما يصل ،

لـ [w ^ { prime}> 0 ] و [ theta ^ { prime} <0: quad overline {w ^ { prime} theta ^ { prime}} <0 ]

كلتا العمليتين تحدثان في وقت واحد. إذا اختلطت طرود الهواء على ارتفاعاتها الجديدة ، فإنها إما تحرك الهواء الدافئ إلى أسفل (اللوحة اليسرى في الأعلى) أو الهواء البارد أعلى (اللوحة اليمنى أعلاه) ، وفي كلتا الحالتين ، فإنها تحرك الحرارة إلى أسفل. وهكذا ، عندما تزداد درجة الحرارة المحتملة مع الارتفاع (أي تحت إشعاعية) ، تحرك الدوامات المضطربة الهواء الأكثر دفئًا لأسفل ويكون تدفق الحرارة سالبًا.

نرى أنه من خلال الحركات المضطربة ، تميل الطاقة الحرارية إلى التدفق من متوسط ​​درجة حرارة أعلى إلى متوسط ​​درجة حرارة أقل ، أو بعبارة أخرى ، نزولًا من تدرج القيمة المتوسطة.

لذلك ، يخبرنا التدفق الحراري ( overline {w ^ { prime} theta ^ { prime}} ) عن نقل الطاقة الحرارية بواسطة الدوامات.

لاحظ أن النقل في الاتجاه من القيم الأعلى إلى القيم الأدنى لمتوسط ​​درجة الحرارة المحتملة. التدفق الحراري هو الطريقة التي تنتقل بها الحرارة المعقولة إلى طبقة التروبوسفير الحرة في ميزانية طاقة الغلاف الجوي. يخلق تدفق الحرارة جنبًا إلى جنب مع تدفق الرطوبة ظروفًا يمكن أن تؤدي إلى العواصف الرعدية والطقس القاسي.

شاهد الفيديو التالي (1:49) لمزيد من المناقشة حول تدفق الحرارة الدوامة:

إيدي هيت فلوكس

انقر هنا للحصول على نسخة من Eddy Heat Flux.

تدفقات إيدي هي واحدة من أهم المفاهيم في طبقة الحدود الكوكبية لأنها مسؤولة عن معظم النقل الرأسي لكل شيء في طبقة حدود الكوكب ، سواء تلك الأشياء التي تغادر السطح أو تلك الأشياء التي تعود إلى الأرض. في الوضع الأفقي ، تقوم الرياح المتوسطة بمعظم النقل. ولكن في الوضع الرأسي ، تقوم الدوامات بمعظم عمليات النقل. لنلقِ نظرة على انتقال درجة الحرارة المحتملة ، وهو نفس نقل الطاقة الحرارية أو الحرارة. ضع في اعتبارك أولاً ملف تعريف درجة حرارة الجسم المحتملة للدوامة الفائقة ، وهو الملف الذي تنخفض فيه درجة الحرارة المحتملة مع الارتفاع. نحصل على هذه الأنواع من الملفات الشخصية في الأيام الحارة المشمسة. عادة ما تقوم الدوامات بتدوير بعض الهواء لأسفل والهواء الآخر للأعلى. يكون طرد الهواء الذي يتم تدويره أكثر دفئًا من الهواء المحيط ، لذا فإن الاضطراب في درجة الحرارة المحتملة ، وهو مجرد الفرق بين درجة الحرارة المحتملة للطرد مطروحًا منه درجة الحرارة المحتملة للهواء المحيط ، يكون إيجابيًا. إن اضطراب الريح الرأسية إيجابي أيضًا ، حيث يتم إحضار طرد الهواء. بحيث يكون حاصل ضرب w شرطة وثيتا شرطة موجبًا. تقوم الدوامة أيضًا بتحريك الهواء البارد لأسفل إلى محيط أكثر دفئًا. لذا فإن الاضطراب السلبي للرياح العمودية يجلب اضطرابًا سلبيًا لدرجة الحرارة المحتملة ، والمنتج الذي ينتج عن هذين الاضطرابين - سلبيتان - موجب. بأخذ هذين الجزأين من الدوامة معًا ، نرى أن الهواء البارد قد حل محل الهواء الدافئ في الارتفاع المنخفض ، وأن الهواء الأكثر دفئًا قد حل محل الهواء الأكثر برودة في الارتفاع الأكبر ، وبالتالي يكون تدفق الدوامة إلى الأعلى. أقنع نفسك أن الرسم في الشكل 11.6 يعطي تدفقاً حرارياً نحو الأسفل.


شاهد الفيديو: مقدمة عن قائمة التدفقات النقدية