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대기열역학

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목차

1. 개요

대기열역학은 대기 중의 유체와 증기의 열역학적 과정을 연구하는 학문 분야이다. 19세기 초 카르노, 클라우지우스, 클라페이론 등의 열역학자들이 대기 증기 기관의 수학적 모델을 개발하면서 시작되었으며, 20세기 이후 프랭크 W. 베리에 의해 "대기 열역학"이라는 용어가 사용되면서 과학 분야로 자리 잡았다. 대기 안정도 및 불안정, 구름 및 강수 과정, 해들리 순환, 열대 저기압 등의 주요 개념을 다루며, 수증기와 지구 기후 변화, 수치 일기 예보 및 기후 예측에도 중요한 역할을 한다.

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대기열역학

2. 역사

19세기 초 사디 카르노, 루돌프 클라우지우스, 에밀 클라페이론 등이 증기 기관 작동 원리를 연구하며 대기 열역학의 기초를 다졌다. 이후 윌러드 기브스는 유체 열역학의 그래픽 방법을 발표했다.

19세기 이후에는 여러 과학자들에 의해 대기 열역학에 대한 연구가 진행되었다.

연도사건
1926년네이피어 쇼 경은 테피그램을 도입했다.
1933년토르 베르제론은 "구름과 강수의 물리학"에 관한 논문을 발표하여 과냉각에 의한 강수를 설명했다.
1946년빈센트 J. 섀퍼와 어빙 랭뮤어는 최초의 구름 씨 뿌리기 실험을 수행했다.
1986년K. 이매뉴얼은 열대 저기압을 카르노 열기관으로 개념화했다.


2. 1. 초기 발전 (19세기)

19세기 초, 사디 카르노, 루돌프 클라우지우스, 에밀 클라페이론과 같은 열역학자들은 대기 증기 기관의 연소 및 압력 주기와 관련된 유체와 증기의 역학에 대한 수학적 모델을 개발했다. 클라우지우스-클라페이론 방정식이 그 예이다.[2] 1873년 열역학자 윌러드 기브스는 "유체 열역학의 그래픽 방법"을 발표했다.

19세기에 개발된 열역학 다이어그램은 대류 가용 위치 에너지나 공기 안정성과 같은 양을 계산하는 데 여전히 사용된다.


1860년대에는 건조 및 습윤 단열 과정과 같은 주제를 다룬 대기 열역학에 관한 논문이 등장했다. 1884년 하인리히 헤르츠는 최초의 대기 열역학 다이어그램(에마그램)을 고안했다.[2] 폰 베졸트는 공기가 상승, 팽창, 냉각되어 결국 수증기를 응결시키는 것을 묘사하는 의사단열 과정을 제시했다. 1888년 그는 "대기 열역학에 관하여"라는 방대한 연구를 발표했다.[3]

1841년 제임스 폴라드 에스피는 사이클론 에너지의 대류 이론에 관한 논문을 발표했다. 1856년 윌리엄 페렐은 편서풍을 유발하는 역학을 제시했다.

연도사건
1751년샤를 르 루아(Charles Le Roy)는 이슬점 온도를 공기의 포화점으로 인식했다.
1782년자크 샤를은 파리에서 온도와 기압을 측정하며 수소 기구 비행을 했다.
1784년고도에 따른 온도 변화 개념이 제시되었다.
1801년–1803년존 돌턴은 증기압의 법칙을 개발했다.
1804년조제프 루이 게이뤼삭은 기상 연구를 위해 기구 상승을 했다.
1805년피에르 시몽 라플라스는 고도에 따른 압력 변화 법칙을 개발했다.
1889년헤르만 폰 헬름홀츠와 존 윌리엄 폰 베졸트는 potential temperature의 개념을 사용했으며, 폰 베졸트는 단열 감률과 pseudoadiabat을 사용했다.
1893년리하르트 아스만은 최초의 기상 관측용 프로브(압력-온도-습도)를 제작했다.
1894년요한 빌헬름 폰 베졸트는 equivalent temperature의 개념을 사용했다.


2. 2. 20세기 이후

1911년 알프레트 베게너는 "대기 열역학"(Thermodynamik der Atmosphäre)을 출판했다.[3] 이때부터 대기 열역학은 과학의 한 분야로 발전하기 시작했다. "대기 열역학"이라는 용어는 프랭크 W. 베리의 1919년 출판물에서 유래했다. 1970년대 후반에는 이 주제에 관한 다양한 교과서가 등장하기 시작했다. 오늘날 대기 열역학은 일기 예보의 필수적인 부분이다.

3. 주요 개념 및 응용

대기 열역학은 부력의 영향을 설명한다. 밀도가 낮은(더 따뜻한) 공기는 상승하고, 밀도가 높은 공기는 하강하며, 물은 액체에서 증기로 증발되거나 응축된다. 이러한 역학은 기압 경도의 힘에 의해 수정되며, 이 운동은 코리올리 힘에 의해 수정된다.[1]

에너지 보존 법칙, 이상 기체 법칙, 비열 용량, 단열 과정(엔트로피는 상수), 습윤 단열 과정(열 전달 없음) 등의 도구가 사용된다. 대부분의 대류권 기체는 이상 기체로 취급되며, 수증기는 증기에서 액체, 고체로 위상이 변환될 수 있는 공기의 가장 중요한 미량 성분 중 하나이다.

고급 주제에는 물의 상전이, 균질 및 불균질 핵 생성, 구름 응축에 대한 용해된 물질의 영향, 얼음 결정 및 구름 입자 형성에 대한 과포화 역할 등이 있다. 습윤 공기 및 구름 이론에서는 등가 상당 온도, 습구 온도, 가상 온도와 같은 다양한 온도를 고려한다. 관련 분야는 에너지, 운동량 및 질량 전달, 구름 속 공기 입자 간의 난류 상호 작용, 대류, 열대성 저기압 역학, 대기 대규모 역학이다.

대기 열역학의 주요 역할은 원시 방정식에 포함된 공기 덩어리에 작용하는 단열 및 비단열 힘으로 표현되며, 격자 해상도 또는 하위 격자 매개변수화로 나타낸다. 이 방정식은 수치 일기 예보 및 기후 예측의 기초를 형성한다.

3. 1. 대기 안정도 및 불안정도

대기 열역학은 밀도가 낮은 따뜻한 공기가 상승하고, 밀도가 높은 공기가 하강하며, 물이 증발하고 응축되는 현상 등 부력의 영향을 설명한다. 이러한 역학은 기압 경도의 힘에 의해 조정되며, 코리올리 힘에 의해 운동 방향이 바뀐다.[1] 에너지 보존 법칙, 이상 기체 법칙, 비열 용량, 단열 과정(엔트로피는 상수) 및 습윤 단열 과정(열 전달 없음) 가정이 사용된다. 대부분의 대류권 기체는 이상 기체로 취급되며, 수증기는 위상 변화가 가능한 중요한 미량 성분이다.

고급 주제에는 물의 상전이, 균질 및 불균질 핵 생성, 구름 응축에 대한 용해된 물질의 영향, 얼음 결정 및 구름 입자 형성에 대한 과포화의 역할 등이 있다. 습윤 공기 및 구름 이론에는 등가 상당 온도, 습구 온도, 가상 온도 등이 포함된다. 관련 분야는 에너지, 운동량 및 질량 전달, 구름 속 공기 입자 간 난류 상호 작용, 대류, 열대성 저기압 및 대기 대규모 역학이다.

대기 열역학은 원시 방정식에서 공기 덩어리에 작용하는 단열 및 비단열 힘으로 표현되며, 격자 해상도 또는 하위 격자 매개변수화로 나타낸다. 이 방정식은 수치 일기 예보 및 기후 예측의 기초가 된다.

3. 2. 구름 및 강수 과정

수증기의 응결 및 승화는 구름과 강수 형성에 중요한 역할을 한다. 클라우지우스-클라페이롱 관계는 포화 수증기압과 온도의 관계를 나타내며, 대기 중 수증기량을 이해하는 데 필수적이다. 클라우지우스-클라페이롱 관계에 따르면 대기의 수분 보유 능력은 온도가 섭씨 1도 상승할 때마다 약 8% 증가한다.[1] (이는 압력이나 밀도와 같은 다른 매개변수에 직접적으로 의존하지 않는다.) 이 수분 보유 능력 또는 "평형 증기압"은 August-Roche-Magnus 공식을 사용하여 근사할 수 있다.

: e_s(T)= 6.1094 \exp \left( \frac{17.625T}{T+243.04} \right)

(여기서 e_s(T)는 hPa 단위의 평형 또는 포화 증기압이고, T는 섭씨 온도이다).

습윤 공기 및 구름 이론에서는 등가 상당 온도, 습구 온도, 가상 온도 등 다양한 온도가 활용된다.

3. 3. 해들리 순환

해들리 순환은 적도 지역에서 따뜻하고 습한 공기가 상승하고, 아열대 지역에서 차가운 공기가 하강하는 열적으로 구동되는 직접 순환으로, 결과적으로 운동 에너지가 순생산되는 현상이다. 해들리 순환은 열기관으로 간주될 수 있다.[4] 1979년부터 2010년까지 해들리 시스템의 열역학적 효율은 평균 2.6%로 비교적 일정하게 유지되었다. 같은 기간 동안 해들리 체제에 의해 생성된 전력은 연평균 약 0.54TW의 속도로 증가했는데, 이는 열대 해수면 온도의 관측된 추세와 일치하는, 시스템으로의 에너지 투입 증가를 반영한다.

3. 4. 열대 저기압 (태풍)

열대 저기압은 약 300K(27°C)의 따뜻한 해수면과 약 200K(−72°C)의 대류권 계면 사이에서 작동하는 열기관[5]으로 모델링할 수 있다. 이 과정에서 열 에너지는 바람의 기계적 에너지로 변환된다. 해수면 근처를 이동하는 공기 덩어리는 열과 수증기를 흡수하고, 데워진 공기는 상승하고 팽창하며 냉각되어 응축과 강수를 유발한다. 상승하는 공기와 응축은 코리올리 힘에 의해 추진되는 순환풍을 생성하며, 이는 파도를 일으키고 사이클론에 동력을 공급하는 따뜻하고 습한 공기의 양을 증가시킨다.

상부 대류권의 온도가 감소하거나 지표면 근처 대기 온도가 증가하면 허리케인에서 관찰되는 최대 풍속이 증가한다. 이러한 허리케인 역학에 카르노 기관 사이클을 적용하여 최대 허리케인 강도를 예측할 수 있다.

3. 5. 수증기와 지구 기후 변화

클라우지우스-클라페이롱 관계에 따르면, 대기 온도가 섭씨 1도 상승할 때마다 대기가 보유할 수 있는 수분량은 약 8% 증가한다.[1] 이는 압력이나 밀도와 같은 다른 요인에 직접적으로 영향을 받지 않는다. 이러한 수분 보유 능력, 즉 "평형 증기압"은 August-Roche-Magnus 공식을 사용하여 다음과 같이 근사할 수 있다.

: e_s(T)= 6.1094 \exp \left( \frac{17.625T}{T+243.04} \right)

여기서 e_s(T)는 hPa 단위의 평형 또는 포화 증기압이고, T는 섭씨 온도이다. 이 식은 온실 기체 등으로 인해 대기 온도가 상승하면 절대 습도 또한 지수 함수적으로 증가해야 함을 보여준다( 상대 습도가 일정하다고 가정할 때). 그러나 이러한 순수 열역학적 주장은 대류 과정으로 인해 침강 지역이 넓어져 건조해질 수 있고, 강수 효율은 대류의 강도에 영향을 받을 수 있으며, 구름 형성은 상대 습도와 관련이 있다는 점 때문에 많은 논쟁이 있다.

4. 고급 주제

물의 상전이, 균질 및 불균질 핵 생성, 구름 응축에 대한 용해된 물질의 영향, 얼음 결정 및 구름 입자 형성에 대한 과포화의 역할 등은 대기 열역학의 고급 주제에 해당한다.[1] 습윤 공기 및 구름 이론에 대한 고려 사항은 일반적으로 등가 상당 온도, 습구 온도 및 가상 온도와 같은 다양한 온도를 포함한다. 에너지, 운동량 및 질량 전달, 구름 속 공기 입자 간의 난류 상호 작용, 대류, 열대 저기압의 역학, 대기의 대규모 역학 등도 대기 열역학에서 중요하게 다루는 분야이다.

대기 열역학의 주요 역할은 원시 방정식에 포함된 공기 덩어리에 작용하는 단열 및 비단열 힘의 관점에서 표현되며, 이는 격자 해상도 또는 하위 격자 매개변수화로 표현된다. 이 방정식은 수치 일기 예보 및 기후 예측의 기초를 형성한다.

5. 수치 예보 및 기후 예측에서의 역할

대기 열역학의 주요 역할은 원시 방정식에 포함된 공기 덩어리에 작용하는 단열 및 비단열 힘의 관점에서 표현되며, 이는 격자 해상도 또는 하위 격자 매개변수화로 표현된다.[1] 이 방정식은 수치 일기 예보 및 기후 예측의 기초를 형성한다.

참조

[1] 논문 Thermodynamic disequilibrium of the atmosphere in the context of global warming http://nrs.harvard.e[...]
[2] 간행물 Graphische Methode zur Bestimmung der adiabatischen Zustandsanderungen feuchter Luft
[3] 간행물 Zur Thermodynamik der Atmosphäre. Pts. I, II
[4] 논문 Contributions of the Hadley and Ferrel Circulations to the Energetics of the Atmosphere over the Past 32 Years http://nrs.harvard.e[...]
[5] 간행물


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