Wie entsteht Wind?

Ein Freund von mir hörte einmal an einem windigen Tag in einem öffentlichen Bus ein Gespräch zwischen einem Vater und seinem Kind. Kind: "Warum weht der Wind?". Vater: „An manchen Orten ist es kalt und an manchen Orten warm. Das ist nicht fair. So nimmt der Wind die kalte Luft weg und transportiert sie an die warmen Orte, damit alle glücklich sind.“ - IRO-bot von Earth Science Stack Exchange

Wind entsteht in drei Schritten$^1$:

1. Sonnenlicht erwärmt Luft
2. Durch den Auftrieb steigt heiße Luft nach oben
3. Wenn die heißen Luftmoleküle austreten, strömen neue Luftmoleküle herein, um ihren Platz zu füllen. Das ist Wind.

Ich nehme an, Sie möchten eine atomare / molekulare Beschreibung von # 3 (sagen Sie dies, wenn nicht, und ich kann die Antwort aktualisieren).

F: Warum strömt neue Luft herein, um die aufsteigende heiße Luft zu ersetzen?

Die kurze Antwort lautet: weil Gasmoleküle ihre Behälter füllen .

Wir brauchen nur eine Gleichung, das ideale Gasgesetz :

$PV=nRT$

Stellen Sie sich die Atmosphäre als in horizontale Schichten unterteilt vor. Wenn heiße Luft aufgrund des Auftriebs in eine höhere Schicht aufsteigt, erhöht dies die Anzahl der Gasmoleküle$n$in dieser Ebene (und verringert die Zahl in der Ebene darunter). Da das Volumen der höheren Schicht$V$hat sich also der Druck nicht verändert$P$muss gestiegen sein. Dies liegt daran, dass, wenn Sie einem festen Volumen mehr Gasmoleküle hinzufügen, es zu einer erhöhten Anzahl von Kollisionen der Gasmoleküle mit den Wänden des Behälters kommt, was sich als erhöhter Druck bemerkbar macht (siehe die kinetische Theorie der Gase ) . Dieser erhöhte Druck in der oberen Schicht der Atmosphäre und der verringerte Druck in der unteren Schicht führt zu einer nach unten gerichteten Kraft auf die Gasmoleküle in der unteren Schicht, die die aufsteigende heiße Luft umgeben, wie ganz rechts und links im Diagramm gezeigt$^2$unter:

Um zu verstehen, warum Hochdruckgase Niederdruckgase drücken, stellen Sie sich eine große Kammer mit zwei gleichgroßen Gasabschnitten vor, die durch eine bewegliche Wand voneinander getrennt sind:

Nach dem idealen Gasgesetz steht die rechte Seite unter höherem Druck. Da auf der rechten Seite mehr Gasmoleküle mit der Wand kollidieren als auf der linken Seite, erfährt die Wand eine Nettokraft und bewegt sich nach links, bis die Anzahl der Kollisionen (Druck) auf beiden Seiten gleich ist.$^3$

$^1$Quellen: UK National Weather Service und Iowa Energy Center
$^2$Bildquelle: UCSB, Geographie 110 unterrichtet von Joel Michaelsen (modifiziert)
$^3$Beachten Sie, dass dies davon ausgeht, dass die Kollisionen gleich energetisch sind, dh das Gas auf beiden Seiten die gleiche Temperatur hat.

Ich weiß, dass „Blasluft Wind“ heißt, aber was ich nicht weiß, ist, wie entsteht Wind? Und ich möchte keine Antwort von der Google-Suche. Ich möchte mehr über Wind auf atomarer oder molekularer Ebene erfahren

Obwohl wir ein enormes Wissen darüber haben, wie das mikroskopische Gerüst von Atomen und Molekülen funktioniert, ist es nicht eine Marotte von Physikern, dass wir immer noch Thermodynamik lehren und studieren. Das Studium der statistischen Mechanik zeigt, wie thermodynamische Größen aus dem komplexen System vieler Teilchen auf molekularer Ebene hervorgehen.

Auf molekularer Ebene sind alle Wechselwirkungen elektromagnetisch, Abstoßungen und Anziehungen sind auf der Grundebene alle auf verschiedene elektromagnetische Wechselwirkungen mit den Überlaufkräften der positiven und negativen elektrischen Felder von Atomen zurückzuführen. Als Beispiel die Van-der-Waals-Kraft

Es wird manchmal auch lose als Synonym für die Gesamtheit der zwischenmolekularen Kräfte verwendet.

Das Pauli-Ausschlussprinzip definiert auch die relative Kompressibilität des Volumens, das Moleküle und Atome einnehmen können.

Somit kann die kollektive Bewegung von Atomen und Molekülen in der Luft durch diese Kräfte und Wechselwirkungen beschrieben werden, ABER wenn man die Werkzeuge der Thermodynamik hat, ist es, als würde man ein Lasermesser eines Chirurgen verwenden, um einen Brunnen zu graben. Man wählt die geeignete physikalische Rahmentheorie, und Thermodynamik mit strömungsmechanischen Gleichungen sind ausreichend.

Die Temperatur eines idealen einatomigen Gases ist ein Maß für die durchschnittliche kinetische Energie seiner Atome. Die Größe der Heliumatome im Verhältnis zu ihrem Abstand ist maßstäblich unter einem Druck von 1950 Atmosphären dargestellt. Die Atome haben eine bestimmte, durchschnittliche Geschwindigkeit, die hier um das zwei Billionenfache von Raumtemperatur verlangsamt wird.

Nehmen wir ein einfaches Beispiel: Im Kamin steigt heiße Luft auf und es entsteht ein Wind. Was auf molekularer Ebene passiert ist:

Die durchschnittliche Geschwindigkeit der Moleküle wird höher, wenn sie von der Hitze des Feuers getreten werden.

Alle Moleküle unterliegen der Schwerkraft. Bei sehr niedrigen kinetischen Energien würde die Luft an der Erdoberfläche bleiben.

Im Schornstein vor dem Einschalten der Heizung ist die durchschnittliche kinetische Energie auf allen Ebenen gleich. Daher ist der Druck, der durch die Stöße statistisch aufgebaut wird, gleich, da viele Moleküle einen Impuls nach unten übertragen, wie sie nach oben geschleudert werden.

Betrachten wir der Einfachheit halber nur Aufwärts- und Abwärtskräfte. Um aufzusteigen, muss ein einzelnes Molekül die Schwerkraft überwinden. Somit wird durch Erzeugen einer "heißeren" Probe diese eine höhere durchschnittliche kinetische Energie aufweisen und es wird eine statistische Bewegung gegen die Schwerkraft aufgebaut, und die heiße statistische Probe wird im Volumen breiter verteilt. Dadurch kann der Phasenraum für die benachbarten kalten Probenmoleküle in ihren Streuungen diffundieren und sich ausbreiten, und da das "Entleeren" senkrecht ist, wird das Auffüllen auch senkrecht sein, und dort wird es erhitzt und geht auch nach oben.

Grundsätzlich wird atmosphärischer Wind durch Druckunterschiede von einem Gebiet zum anderen erzeugt, sodass Luftmoleküle in Richtung der Zone mit niedrigerem Druck gedrückt werden. Diese Bewegung der Luftmoleküle wird "Wind" genannt.

Eine Anwendung dieses einfachen Prinzips kann durch den aus der Berbouilli-Gleichung abgeleiteten sogenannten Venturi-Effekt beschrieben werden

Da die Strömung durch Abschnitte unterschiedlicher Fläche konstant bleibt$A_\text {1}$Und$A_\text {2}$Du hast folgenden Zusammenhang

Nach Umstellen erhält man die Venturi-Beziehung

Zeigen, wie Druckunterschiede an beiden Enden einen Luftstrom mit hoher Geschwindigkeit erzeugen können$v$und Dichte$\rho$

Wenn sich eine Region erwärmt und eine andere Region irgendwo abkühlt, entsteht ein Druckunterschied. Heiße Luft steigt auf und bewegt sich dann in Richtung des Niederdruckbereichs, um den Druck in beiden Bereichen zu erreichen.

Nun, warum steigt die Luft auf? Ich meine, warum heiße Luft aufsteigt. Eine einfache Erklärung ist:

Heiße Luft ist weniger dicht und erfährt eine Auftriebskraft, genau wie eine Luftblase in Wasser.

Ich habe diese Frage gefunden und gehofft, eine genauere Antwort in Bezug auf die Moleküle selbst zu sehen. Natürlich ist Druck auf molekularer Ebene bedeutungslos, wo nur Geschwindigkeit und Kollisionen eine Rolle spielen. Trotz der großen Variation in molekularen Geschwindigkeiten und Richtungen ist Wind eine überlagerte Neigung in eine Richtung. Es wird durch eine Vorspannung in der Richtung verursacht, aus der Kollisionen kommen. Es gibt viel zu bedenken, die Größe der Windgeschwindigkeit im Vergleich zur Verteilung "zufälliger" Geschwindigkeiten, den mittleren Weg, der zwischen Kollisionen zurückgelegt wird, und wie Kollisionen zu entstehenden Merkmalen wie Druck und Wirbeln führen. Ich mag die Antworten, die ich lese, aber auf der Ebene der Moleküle ist es etwas ganz anderes.