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 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).
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.
N. Jungfrau
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bobuhito
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