Vorhandensein von Windböen, eine Anomalie?

Ich glaube, die Antwort darauf liegt in der „Chaos-Theorie“, die man auch als nicht-lineare Dynamik bezeichnen kann.

Um ein Beispiel für ein einfaches lineares System zu geben - wenn Sie mit dem Auto von der Westküste der USA zur Ostküste der USA reisen möchten und mit einer Durchschnittsgeschwindigkeit von 60 Meilen pro Stunde 12 Stunden am Tag fahren, können Sie dies tun eine Vorhersage, wie lange die Reise dauern wird. Wenn Sie stattdessen bei der Fahrt durchschnittlich 55 oder 65 Meilen pro Stunde fahren, ändert sich die Ankunftszeit ein wenig, aber nicht so sehr.

In der nichtlinearen Dynamik können kleine Änderungen zu großen Änderungen führen – sogar zu völlig unterschiedlichen Verhaltensweisen. Betrachten Sie also zum Beispiel Wasser, das einen Fluss hinunterfließt. Wenn es langsam fließt, ist es einigermaßen vorhersehbar, wie es fließt, aber wenn die Fließgeschwindigkeit zunimmt, kann es zu „Turbulenzen“ kommen, kleine Strudel oder „Wirbel“ bilden sich im Wasser und die Strömung wird komplizierter. Wenn ein Fluss sehr schnell fließt, ändert sich die Strömung wieder.

Um auf die Frage zurückzukommen - ich denke, der Wind, der in Böen weht, ist ein bisschen wie eine turbulente Wasserströmung einen Fluss hinunter. Wenn der Wind sehr leicht ist, können Sie eine stetige leichte Brise wehen, aber bei stärkerem Wind kann die Art und Weise, wie die Luft strömt, unvorhersehbarer sein. Hoffe, das ist hilfreich.

Bild eines Wirbels in einem Fluss

Die Thermodynamik gibt uns Auskunft darüber, was möglich ist und was nicht. Zum Beispiel sagt es uns, dass ein Stein nicht nach oben fallen und auf die Spitze eines Berges stürzen wird, aber wenn ein Stein von der Spitze eines Berges gestoßen wird, könnte er ganz nach unten rollen. Die Thermodynamik sagt nichts darüber aus, wie der Stein herunterrollen würde und ob er an einer Stelle schneller oder an einer anderen langsamer wäre. Der Weg den Berg hinunter hängt natürlich von vielen Faktoren ab, wie zum Beispiel dem Weg, den der Stein nimmt.

Was Windböen nicht sind, erläutere ich zunächst zur mentalen Klärung:

Thermodynamik, wie Sie sie vielleicht in einem Physikkurs kennengelernt haben, ist eine statische Theorie, im Gegensatz zu dynamischen Theorien.
Genauer gesagt, was an der Universität gelehrt wird, ist normalerweise Gleichgewichtsthermodynamik - Sie berechnen den Gleichgewichtszustand eines Systems, wo es enden wird, aber Sie haben keine Ahnung, wie es das tun wird.

Das Ignorieren der Art und Weise, wie das System einen Gleichgewichtszustand erreicht, ist für Gase, die in Maschinen funktionieren, in Ordnung, da die mikroskopischen Zeitskalen des Energieaustauschs klein genug sind (oder Sie könnten äquivalent sagen:$dQ$ist im Vergleich zu anderen Arbeitsformen sehr gering). Auf diese Weise können Sie einen dynamischen Prozess wie adiabatische Arbeit mit einer statischen Theorie beschreiben , also hatten Ingenieure historisch gesehen ziemlich viel Glück.

Die Arbeit, mit der Sie verknüpft sind (Thermodynamik der Diffusion), wird jetzt sicherlich Konzepte der Nichtgleichgewichtsthermodynamik verwenden : wann$dQ$nicht mehr vernachlässigt werden kann, aber immer noch klein ist, kann man den Weg zum Gleichgewicht mit Energieflüssen annähern, die Gradienten der Gleichgewichtsgrößen sind$F = c \nabla X$und mit linearer Entwicklung$\partial_t X = \nabla F$.

Wenn wir jedoch beliebige Energie- und auch Impulsflüsse haben, kann Ihnen die Gleichgewichtsthermodynamik nicht mehr helfen (afaik). Dann wird die „Natur“ andere Dinge tun, Dinge, die wir mit der Theorie der Fluiddynamik verstehen können, bei der die Navier-Stokes-Gleichungen sehr zentral sind.

Wind wird im Allgemeinen durch Unterschiede in der Erwärmung erzeugt, also werden wir wieder Energie- und Impulsflüsse haben. In Bezug auf Ihre Frage ist Wind der Versuch, Energie auszugleichen, jedoch mit großen Energieunterschieden. Bei kleinen Unterschieden würde es einfach diffundieren.

Und Windböen sind jetzt nichtlineare oder „chaotische“ Lösungen für die Flüssigkeitsgleichungen (wie @tom betonte).

Nachtrag: Nachdem ich den Wikipedia-Artikel über Nichtgleichgewichts-Thermodynamik etwas weiter gelesen habe, sehe ich, dass es beträchtliche Forschung darüber gibt, wie Nichtgleichgewichtsphänomene mit Extremalprinzipien verallgemeinert werden können. Das extreme Prinzip für die Gleichgewichtsthermodynamik ist einfach die Minimierung der Entropieproduktion, aber über den Rest besteht noch kein Konsens.
Ihre Frage berührt also tatsächlich die neueste theoretische Forschung.