Atmosphärische Zirkulation

Was ist das einfachste simulierbare Modell, das unserer rotierenden Erde ihre 3 Zirkulationszellen gibt (Hadley, Ferrel, Polar)? Das Modell sollte auch 1 Zirkulationszelle zeigen, wenn die Erdrotation gestoppt wurde (oder in einem Fall wie der Venus), und überhaupt keine Zirkulation, wenn die Strahlung irgendwie gleichmäßig zur/von der Erde wäre (anstelle einer echten Äquatorheizung aufgrund des Sonnenpunkts). Quelle). Übrigens wäre es schön, wenn das gleiche Modell in einem Gehäuse wie Jupiter 8 Zirkulationszellen aufweisen könnte.

Ich erwarte die der Erde 23 Neigung kann vernachlässigt werden. Die wichtigen Parameter scheinen der Radius des Planeten, die Rotationsgeschwindigkeit des Planeten, die Masse des Planeten, die Masse der Atmosphäre, die molare Dichte der Atmosphäre (behandelt als ideales Gas mit Energieabsorption von der Erdoberfläche, aber nicht direkt von den Sonnenstrahlen), und die Viskosität der Atmosphäre. Ich hoffe, die Erdoberfläche könnte einfach mit einem konstanten Temperaturprofil modelliert werden, das vom Pol zum Äquator zunimmt (oder ich frage mich, ob ein täglicher Temperaturwechsel dieses Oberflächentemperaturprofils erforderlich sein könnte, um mehrere Zirkulationszellen zu erzeugen).

Wie auch immer, mit Parametern wie diesen hoffe ich, eine vertretbare Formel zu sehen, die 3 ergibt (ich kann die qualitativen Erklärungen "Hadley-Zellenluft fällt mit Trägheit und Reibung" im Internet noch nicht akzeptieren).

Ich würde gerne die Antwort darauf wissen. Nur ein kleiner Kommentar: Obwohl der horizontale Antrieb wichtig ist, wird die atmosphärische Zirkulation größtenteils durch den vertikalen Gradienten angetrieben (dh der Boden wird erwärmt und die obere Atmosphäre wird aufgrund der Emission von Wärmestrahlung abgekühlt). Aus dem Gedächtnis denke ich, dass dadurch etwa 10-mal mehr Leistung verbraucht wird als durch den horizontalen Antrieb. Wenn es also keinen horizontalen Gradienten im Antrieb gäbe, gäbe es wahrscheinlich immer noch eine Zirkulation, es ist nur so, dass sie nicht auf die gleiche Weise in kohärente Konvektionszellen organisiert wäre.
Ich kenne einige reduzierte GCM-Modelle, bei denen die Erdoberfläche als gleichmäßig und die Atmosphäre als trocken angenommen wird (einige werden hier zum Beispiel erwähnt). Aus meiner Sicht sind dies jedoch nicht wirklich die einfachsten möglichen Modelle - sie enthalten immer noch viele empirische Parametrisierungen und sie sind immer noch zu komplex, um sie wirklich vollständig zu verstehen. Das einfachste Simulationsmodell würde wahrscheinlich davon ausgehen, dass die Strömung rotationssymmetrisch ist, und nur einen 2D-Schnitt entlang einer Längengradlinie simulieren, aber ich kenne keine Atmosphärenmodelle, die so aussehen.
Es fällt mir schwer zu verstehen, wie der vertikale Gradient die Zirkulation verstärken könnte, also könnte vielleicht jemand einfach eine Luftströmungssimulation für einen nicht rotierenden Planeten mit einer Zirkulationszelle zeigen? Es scheint mir, dass eine Abkühlung der oberen Atmosphäre um den Äquator die Zirkulation tatsächlich verlangsamen würde ... aber es ist alles ziemlich kompliziert, insbesondere die Modellierung der thermischen Diffusion / Konvektion in der Luft. Da an dieser Frage kein großes Interesse besteht, frage ich mich, ob jemand einfach eine quantifizierbare Erklärung für die Ferrel-Zelle geben könnte. Warum sollte heiße „Südluft“ unter kalter „Nordluft“ strömen?
Um zu verstehen, warum der vertikale Gradient die Zirkulation verstärkt, sollten Sie sich mit der Rayleigh-Bénard-Konvektion befassen . Ich denke, dies wird Ihnen helfen, sich ein Bild davon zu machen, warum die Ferrel-Zelle ebenfalls existiert. Wenn ich eine Chance bekomme, werde ich sehen, ob ich eine Antwort in der Art posten kann, was Sie gerade beschrieben haben, aber es wird bedeuten, dass ich einige Zeit damit verbringen muss, mich mit den Details zu befassen, daher kann ich nicht garantieren, dass ich dazu komme.
Danke, guter Link. Ich verstehe es jetzt, aber jetzt würde ich denken, dass sogar eine nicht rotierende Erde mehrere Konvektionszellen haben könnte. Ich habe also das Gefühl, dass immer eine Simulation benötigt wird, und es gibt keine Hoffnung auf die "vertretbare Formel", nach der ich gefragt habe. Für den Simulator muss ich anscheinend einen weiteren Parameter für die Wärmestrahlung der Luft zurück in den Weltraum hinzufügen.
Ich stelle mir vor, dass eine nicht rotierende Erde wahrscheinlich mehrere Konvektionszellen haben könnte - aber im Allgemeinen wäre die Dynamik sehr unterschiedlich, da es keine Coriolis-Kraft und daher keine Jetstreams geben würde. Im Allgemeinen scheint es, dass Simulationen in der Atmosphärenwissenschaft sehr oft benötigt werden, und es ist oft auch sehr, sehr schwierig, sie durchzuführen.

Antworten (1)

Die einfachste Erklärung und Analyse finden Sie hier: http://home.uevora.pt/~ahr/D.pdf

Es basiert auf dem Baurecht. Das von Bejan&al geförderte Konstruktionsrecht gehört zur Familie der Variationsprinzipien, befasst sich aber mit makroskopischen Strömungsverteilungen. Das Konstruktionsgesetz gehört nach Bejan zu den Naturgesetzen, die dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik nahestehen, sich aber von diesem unterscheiden.

Das Konstruktionsgesetz besagt, dass in jedem Strömungssystem die Strömung so organisiert wird, dass der Zugriff jedes Teils des Systems auf die Strömungskonfiguration maximiert wird. Dies sieht den Vorstellungen über die maximale / minimale Entropieproduktion sehr ähnlich, ist aber in Wirklichkeit anders.

Der Vollständigkeit halber wird die Existenz eines Konstruktionsgesetzes als Naturgesetz von Strömungsmechanikern im Allgemeinen nicht akzeptiert. Persönlich bleibe ich agnostisch - der Rechtsstatus ist nicht nachgewiesen, aber die Ergebnisse, die durch die Anwendung dieses Prinzips erzielt werden, sind in den meisten Fällen korrekt.

Um diesen Artikel zusammenzufassen, der ziemlich lang ist und sich auch mit der täglichen Wärmeübertragung zwischen der heißen Tageshälfte und der kalten Nachthälfte befasst, hebe ich hervor:

  • die Anzahl der Zellen hängt von der Rotationsgeschwindigkeit und von der Temperaturdifferenz zwischen Äquator und Pol ab. Bei langsamen Rotationen (> 144 h) entwickelt sich eine einzelne Zelle. Bei schnellen Rotationen (< 24 h) entwickeln sich 3 Zellen. Bei fester Rotationsgeschwindigkeit wird die Anzahl der Zellen weiter durch die Temperaturdifferenz moduliert. Bei 24 Stunden und 20°C ist nur eine Zelle vorhanden, bei 60°C (reale Erde) sind 3 Zellen vorhanden. Bei 130°C verschwindet die Polarzelle.

  • Bejan betrachtet eine Wärmequelle (Äquatorialband) der Oberfläche AH und eine Wärmesenke (Polkappe) der Oberfläche AL mit den Anteilen AH/A = x und AL/A = 1-x. Der größte Teil des Papiers wird dann verwendet, um die Eigenschaften der konvektiven 3D-Strömung von AH nach AL zu definieren.

  • Sobald die Strömungen charakterisiert sind, wendet Bejan das Konstruktionsgesetz an, das besagt, dass sich die Strömungen so konfigurieren, dass der Wärmetransport Q (Äquator -> Pol) maximiert wird.
    zB (dQ/dx) bei konstantem TH = 0 und (dQ/dx) bei konstantem TL = 0. Das ergibt 2 Lösungen für x also 2 Teilungen der Fläche. In 1 ist die Quelle die Hadley-Zelle und die Senken sind (Ferrel + Pole)-Zellen, während in 2 die Quellen (Hadley + Ferrel)-Zellen sind, während die Senke die Pole-Zelle ist. Daher maximiert das System die Wärmeübertragung mit 3 Zellen, wobei die mittlere eine Rolle als Vermittler spielt – Senke zur einen und Quelle zur anderen.

  • Unabhängig davon, ob man an Konstruktionsrecht als Naturgesetz oder als Annäherung an ein noch unbewiesenes und/oder unbekanntes Gesetz glaubt, finde ich die Arbeit interessant, konsistent und die Ergebnisse werden durch Beobachtung bestätigt. Die Verwendung des Modells auf Jupiter wäre nicht einfach, da der größte Teil des Modells dynamische Eigenschaften der Flüssigkeiten (Scherung, Turbulenz usw.) behandelt, die für Jupiters Atmosphäre nicht bekannt sind, deren Tiefen sich völlig von denen der Erde unterscheiden.

Wenn ich dieses Papier richtig überfliege, sagt ihr Konstruktionsmodell keine einzelne Zelle für Rotationsperioden von> 144 Stunden voraus (sie geben nur Verweise auf andere Papiere, die es zeigen), oder?
Ja das ist richtig. Es ist qualitativ sinnvoll, dass sehr schnell rotierende Körper komplexe Äquatorpol-Querstrukturen zerstören würden.