я в этом ничего не понимаю. Но разве атмофсера не потому холодная наверху, что дальше, еще наверху - абсолютный ноль? Атмосфера греется от земли, которая поглощает солнечные лучи, а не сверху.

Механизмы передачи тепла:
конвекция
теплопроводность
излучение

Наверху нет массивного твердого тела с температурой около абсолютного нуля, чтобы охладить атмосферу за счет теплопроводности газа.

Охлаждение за счет излучения.
Нужно думать на тему баланса - сколько в каком диапазоне газ излучает и сколько поглощает (от Солнца и Земли). Судя по графику http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c1/Atmosfeer.png
с молекулами газа на больших высотах (где работает только баланс излучений) весьма нехорошо получается - 500...1000С ночью и 1200...1700С днем. Жарковато...

Вот другой механизм сработает.
Земля очень неравномерно нагрета "по горизонтали" (у полюсов - холодная). А даже небольшой "горизонтальный" градиент температуры неизбежно приведет к циркуляции атмосферы, а эта циркуляция (из-за движения воздуха вверх-вниз) неизбежно создаст ОГРОМНЫЙ вертикальный градиент температуры.

а. сжатие... с опусканием воздух сжимается. при расширении охлаждается. И инверсии... Спасибо, немного лучше понял

Безусловно, воздух нагревается/охлаждается при сжатии/расширении, т.е. движении вниз/вверх. И как раз на обсуждаемую величину температурного градиента в тропосфере. Но это движение вверх-вниз нужно чем-то вызвать.
Либо вентилятор поставить. Либо создать температурный градиент в поперечном направлении - тоже поможет.

то есть интересует верхняя граница тропосферы - выше- начинаются игры с экзотермией озона, там жарко, и там мало водяного пара, а все погодные игры ниже, где с высотой холодает

Забыли (?) охлаждение при адиабатическом расширении (без передачи или получения энергии).
Машиной движущей воздух наверх является процесс круговорота воды. Нагретый пар, в качестве газа, участвующего в газодинаамике поднимается вверх, а там конденсируется, выпадает из газовых переменных (давление падает) и дождем падает обратно (уже не вовлекая воздух в это обратное движение).

Я так понимаю, получается вроде как положительная обратная связь -- если влажный воздух случайно кто-то вверх пихнул, он расширился, охладился, водяной пар сконденсировался -- давление упало.

Раз оно упало, воздух опять пойдет вверх. Если он влажный, то пар опять сконденсируется, и т.д. А вот если сухой -- то все.

Ни при чем здесь обратная связь. Пар безо всякого случайного пихания распределяется по высоте по Больцману. И ввиду "откачки" в процессе конденсации в верхних слоях, образуется непрерывный поток вверх. Всю "машину" приводит в действие нагрев у поверхности (солнцем), естественно, и все процессы ведущие к парообразованию.

Нет, конечно, не забыл. Адиабатический процесс рассмотрен отдельно. Кстати, по определению, адиабатический процесс не является теплопередачей :-)

Значит, я просто не понял Вашего недоумения относительно эффективного охлаждения атмосферы с высотой...

Поясню, о чем идет речь.

Модель 1.
2 нагреваемых участка земной поверхности ОДИНАКОВОЙ температуры, на одном расположен распылитель, разбрызгивающий воду, другой участок сухой. В небесах подвешен холодильник.

Утверждается, что это - тепловая машина, и над участком с рапылителем будет восходящий поток воздуха. Сухой участок начнет становиться еще более сухим.


Модель 2.
То же самое, но без холодильника в небесах.
Утверждается, что никакой механической работы и, соответсвенно, циркуляции воздуха не возникнет - вечный двигатель второго рода невозможен.

Цитата из статьи http://www.bioticregulation.ru/pump/pump3_r.php
"Ураганы и смерчи возникают в отсутствие постоянного направленного ветра, когда в малой локальной области конденсация влаги превышает конденсацию в соседних областях. В этих случаях в такую локальную область затягивается воздух и водяные пары изо всех окружающих ее соседних областей. Приток водяных паров увеличивает их конденсацию в подобной локальной области, что усиливает приток воздуха и водяных паров (положительная обратная связь). В результате скорость ветра достигает максимальной ураганной величины."

А при чем тут вечный двигатель? вроде бы надо потраттться, чтобы воду добыть, подвести и распылить. Сама она так себя не ведет

Будем считать расходы на распыление воды бесконечно малыми.
Ну, или просто бассейн с водой поставим.

Вообще-то, в статье есть весьма рациональное зерно.
Пусть у нас есть холодильник на северном полюсе и нагреватель на экваторе.
Между ними возникнет циркуляция воздуха. Пусть есть какая-то скорость и какой-то массовый расход. Если в этот воздух добавить воды, которая будет периодически совершать фазовый переход, то теплоемкость единички объема такого влажного воздуха фантастически возрастет из-за скрытой теплоты испарения. То есть, при той же скорости, наш воздушный конвейер начнет переносить существенно больше тепла между нагревателем и холодильником и, соответсвенно, развивать существенно большую мощность. А вот вязкость влажного воздуха почти не изменится. То есть, вся эта дополнительная мощность будет потрачена на увеличение скорости конвейера. И наш конвейер сумеет перетащить больше воды, чем в него добавили.
Очень не даром паровоз делали отнюдь не на нагреве сухого воздуха :-)

Могу лишь сожалеть, что я так радикально лишен всякого дара физического мышления. всё, что могу сказать - что бассейн высохнет, это не выход. Но я уже несколько раз пытался сказать - и всё равно не получалось. Видимо, какие-то мои школьные недоработки.

В случае самоподдерживающейся системы бассейн должен, наоборот, наполняться.
В модели 1 так и будет.

Я понимаю Вашу озабоченность, поскольку в приведенной цитате явно прослеживается потребность в "холодильнике", поскольку подразумевается локальность смерча, а конденсация вверху этой локальной области будет сопровождаться сильным тепловыделением и рано или поздно должна бы "насытиться".
Но в общем случае Ваши модели с "холодильником" не вполне уместны, поскольку система, мягко говоря, не замкнута, и тепло, выделившееся при конденсации легко рассеется (конвекцией) по окрестным областям, находящимся в некоем "равнеовесии" с землей. А если глобально рассматривать, то какая разница, какие процессы обеспечивают роль холодильника на Земле (излучение с поверхности, наверное). Это ведь не страшно, если холодильник не там сверху, а тут на земле. Сбоку, но внизу? Для атмосферы в охлаждениии может быть существенным процесс собственно утечки атмосферы. Но это не принципиально, ИМХО.

Я размышляю на тему аналогии с грозовым облаком.
Влажный горячий воздух поднимается вверх, из него выливается дождь. Благодаря этому воздух остается горячим и благополучно поднимается весьма высоко. На место горячего воздуха стекает холодный воздух, который был ранеее сверху. В процессе опускания успевает частично впитать капли и не так сильно нагреться охладиться.

И, вроде, как, все. Цикл повторяться не будет. Горячий воздух так и останется сверху. Следующее вертикальное движение будет с новой порцией воздуха, чуть в стороне. Грозовой фронт сместится.

С грозовым облаком Вы меня путаете. Я не спец, запутаюсь легко. Мне казалось, что грозовое облако образуется при резком охлаждении (как говорят, встрече с холодным фронтом, откуда там берется холод - не знаю).
А по сути "вечного двигателя", в смысле рассматриваемого насоса, то, КАК Я ПОНЯЛ, там не стоит оперировать понятиями холодный-теплый воздух. Считайте, что он везде в тепловом равновесии с землей (ну и спадает вверх по температуре в соответствии с давлением). Насос образуется засчет спада давления в верхних слоях при выпадании там "росы". Воздух снизу подсасывается "независимо" от того теплее он или холоднее окружающих областей. Он мог быть "чуть холоднее", и на смену ему может придти даже более теплый воздух из соседних областей (в конечном счете - сверху). Естественно, конкуренцию со стороны нормальной конвекции нужно учитывать...

ну холодильник, очевидно, есть (туда тепло излучается, а обратно - хрен). то есть модель 1. но в этой модели непонятно, куда, собственно, девается вода, которая поднимается от разбрызгивателя в виде водяного пара, если сухой участок становится ещё более сухим (очевидно, если над распылителем поток восходящий, то над сухим местом - нисходящий).

Re: куда, собственно, девается вода

Выливается сверху в виде дождя обратно на разбрызгиватель.

Верно. Более того вертикальный градиент температуры ограничивается т.н. сухой и влажной адиабатой (не знаю точно как по-русски):

http://en.wikipedia.org/wiki/Lapse_rate

Спасибо за ссылку! Там все просто превосходно изложено.

Я что-то окончательно запутался в устройстве атмосферы и выразил свое недоумение в виде post'а http://biglebowsky.livejournal.com/34710.html

Не могли бы Вы взглянуть?

Я бы Вам рекомендовал для начала какой-нибудь простенький курс по динамике атмосферы. На самом деле это очень непростые и неочевидные вещи, особенно некоторые детали связанные с влажностью, которые я уже не так уж хорошо помню за давностию лет. Боюсь, что вот так сразу сесть и всё сразу самому сообразить довольно трудно.

Я только пару слов скажу для вводной. В принципе, Вы можете погуглить на каждое из ключевых слов, которые я использую и узнать гораздо больше и лучше.

Как известно, на экваторе теплее, чем на полюсах, вследствие чего, в среднем существует меридиональный градиент давления. Сила Кориолиса поворачивает поток воздуха направо (в северном полушарии) в результате чего мы имеем (в среднем) западные ветры в частности Jet Stream. В результате определенных механизмов неустойчивости (бароклинной и баротропной) образуются завихрения известные нам как циклоны и анти-циклоны. Внутри этих систем происходят не только круговые, но и вертикальные движения (перемешивание), которые можно понять из довольно простых физических соображений.

Детально же поле скорости рассчитывается из уравнений Навье-Стокса (на практике, после осреднения, уравнений Рейнольдса), которые связывают поля скорости и давления. Система замыкается уравнием состояния газа, связывающим давление с температурой. Настя, видимо, "открыла" поправку третьего порядка малости на изменение давления из-за конденсации, ничего не посчитала, и верит, что совершила переворот в науке.

Температура рассчитывается из соображений сохранения тепла, где частицы (влажного) воздуха переносятся туда-сюда полем скорости и перемешиваются друг с другом.

Внешним источником тепла является солнце. Поток приходящей энергии в моделях считается постоянным. Часть солнечной энергии отражается от атмосферы (облаков) или поверхности Земли сразу уходит назад в космос. Другая (небольшая) часть поглощается воздухом, основная греет поверхность. (Соответствующие данные легко гуглятся.) Поверхность излучает тепло в инфракрасном диапазонe (закон Больцмана, ~T^4) и является основным нагревателем атмосферы (а не холодильником). Атмосфера поглощает это тепло (в частности и парниковый эффект именно здесь), слой за слоем, снизу вверх, и переизлучает его снова и снова во все стороны, пока излучение не достигает верхних слоёв и высоких облаков, которые уже излучают прямо в космос, балансируя тепловой бюджет планеты.

Вертикальное перемешивание осуществляется за счёт конвекции. Влажной в тропосфере и сухой наверху. Конвекция происходит так часто и интенсивно именно потому, что атмосфера имеет нагреватель и источник влаги внизу.

Большое спасибо за подробный комментарий.

Я выдвинул 4 тезиса:

1) В атмосфере нет эффективных холодильников сверху (кроме пиков гор, которых относительно мало).
2) Влиянием пиков гор можно пренебречь.
3) Холодильником являются участки поверхность Земли. Соответсвенно, с учетом (2), холодильник не может быть выше нагревателя.
4) Если холодильник не выше нагревателя, то в такой системе в принципе невозможно организовать самоподдерживающуюся циркуляцию.

По крайне мере один их этих тезисов неверен.
Любопытно, какой, и почему?

холодильник наверху - инфракрасное излучение вверх.
Атмосфера непрозрачна для ИК излучения, тепловое излучение от поверхности многократно поглощается-перизлучается и вверх и вниз, прежде чем улететь в космос (парниковый эффект).
Вот эта УДР (уходящая длинноволновая радиация) на верхней границе атмсоферы и есть холодильник.

Вы не могли бы расказать по-подробнее.
Я просто думал над балансом излучений, и у меня, наоборот, вылезал разогрев выше 0С.

Нет ли у Вас данных по коэффициенту отражения облаков в видимом и длинноволновом инфракрасном частях спектра?

атмосфера греется солнечным излучением по всей толще (не снизу). Три процесса - отражение, поглощение, рассеяние. Участвуют - все газовые компоненты, водяной пар, все формы воды в облаках, аэрозоли и т.д.

атмосфера греется снизу тепловым ИК излучением поверхности и охлаждается сверху УДР. В толще происходят 4 процесса - отражение, поглощение, излучение, рассеяние. Участвуют - вода во всех формах (и пар и облака), парниковые газы (СО2, метан и т.д.)
Коэффициенты отражения-излучения-поглощения-рассеяния зависят от длины волны, концентраций и т.д.

Для расчета переноса излучения в атмосферных моделях есть блок, очень развесистый- громоздкий, ученые его делали 50 лет и продолжают делать. Его нельзя упростить без потерь, для реалистичного воспроизведениия нагревания-охлаждения атмосферы излучением надо учитывать все детали.

атмосфера еще греется снизу турбулентными явным и скрытым потоком тепла от поверхности. Явное тепло "реализуется" сразу, скрытое - где-то на каком-то уровне в процессе конденсации .

Спасибо за объяснение.

Мне просто психологически было сложно поверить, что какая-то газовая штуковина способна серьезно излучать в инфракрасном диапазоне. Все-таки, газ очень плохо светится по сравнению с твердыми телами.

Водяной пар светится ИК-светом как-бы не сам, он поглощает-перизлучает то, что идет снизу. И формируется УДР не на одном уровне (верхне границе атмосферы), а в достаточно толстом слое, равном длине свободного пробега ИК-фотона.

Нашел занятный график.
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/7c/Atmospheric_Transmission.png

Надо будет некоторое время поразмыслить над ним.

По меньшей мере два неверны.

1. Эффективным холодильником сверху является космос, куда уходит тепловое излучение.

3. Поверхность Земли является нагревателем, а не холодильником, как я уже и сказал.

Мне нужно некоторое время поразмыслить над способностью водяного пара излучать требуемую мощность в дальнем инфракрасном диапазоне.

Не только Н2О, но и СО2 и все остальные газы в атмосфере тоже излучают по законам (более-менее) черного тела. Четвертая степень температуры - довольно эффективный закон.

Можете попробовать прийти к нужной точке от обратного. Поскольку Земля находится (примерно) в тепловом равновесии, то приходящее солнечное тепло должно куда-то уходить. Конечно, оно не может уходить всё время в Землю, иначе планета за миллиарды лет бы просто расплавилась к чертям (можно привести и другие причины почему это никак не возможно). След-но тепло уходит обратно в космос. Единственным механизмом отвода тепла в космос может быть только тепловое излучение.

Увы. От обратного прийти довольно сложно. Земная поверхность очень неплохо светит в инфракрасном диапазоне и, тем самым, охлаждается.

Re: Не только Н2О, но и СО2 и все остальные газы в атмосфере тоже излучают по законам (более-менее) черного тела.

Более-менее. Там еще коэффициент есть. Как известно, блестящая поверхность не только хорошо отражает, но с тем же успехом не излучает.

Известная вещь - пламя газовой горелки почти не светит. Но если мы введем в пламя любые твердые тела: немного копоти, металлическую детальку раскалим, то они начнут светиться очень ярко.

>Земная поверхность очень неплохо светит в инфракрасном диапазоне и, тем самым, охлаждается.

Совершенно верно, именно поэтому она, охлаждаясь, и нагревает атмосферу. Я чесгря не знаю точно уходит ли хоть какая-то доля земного инфракрасного излучения непосредственно в космос, но думаю, что очень небольшая, а то и совсем ноль. Тут опять Гугл в помощь. Большая часть по дороге в космос поглощается атмосферой и переизлучается.

Поэтому от обратного всё же можно.

От обратного, безусловно, можно, если заранее знать коэффициенты поглощения aka характерную толщину (на которой излучение падает в e раз) для инфракрасного диапазона.

Я уже нашел эти данные.
Оказалось, что водяной пар существенно непрозрачен в инфракрасном диапазоне. СО2 дает сравнительно узкий по длине волны пик, но именно там, где нужно. Вклад всех остальных газов атмосферы ничтожен.

Оказалось, что из излучаемого Землей инфракрасного излучения в космос напрямик уходит, действительно, невероятно мало энергии - всего 15...30%.

Ну, слава богу, что по большому счёту ничего не перепутал.

Характерной толщины, как я понимаю нет, т.к. водяной пар в основном в тропосфере. Т.е. внизу поглощаемость одна, а наверху совсем другая.

Верно про Н2О и СО2, я Вам уже об этом говорил. Это и есть парниковый эффект.

Только сейчас заметил, что параллельно со мной Вам то же самое говорил и аноним.

Интересно, а вы эту теорему (Сандберга вроде) о невозможности циркуляции сами придумали или прочитали где-то?

Увы, изобретание велосипедов идет исключительно от моего невежества в данной области - я никогда не задумывался о циркуляции атмосферы до post'а Иванова-Петрова.

А что такое теорема Сандберга?

ага, понятно. Вы глубоко копаете, в самый корень.

Теорема Сандстрома (не Сандберга) 1908г: Холодильник должен быть выше нагревателя для поддержания термической циркуляции.
Доказательство простое - чтобы тепловая машина совершала положительную работу, нагревание (расширение) должно происходить при высоком давлении, а охлаждение (сжатие) - при низком.
Если добавить гидростатику - высокое давление внизу и низкое наверху, то и получается теорема.

Для атмосферы ее обычно не упоминают. В атмосфере холодильник вверху и нагреватель внизу разрешают воздуху совершать положительную работу и циркулировать. Он и циркулирует, нет проблем.

В океанской науке ее используют для доказательства невозможности термической циркуляции - океан греется и охлаждается на одном уровне - на поверхности. Но такая циркуляция в природе существует. Парадокс. Такой же, как у вас получился для атмосферы.

Решение парадокса. В теореме не учитываются неравновесные процессы - вязкость и теплопроводность. Если их добавить и посчитать численно уравнение Навье-Стокса плюс уравнение переноса тепла, то циркуляция возникает. В океане есть еще соленость, она тоже нарушает условия теоремы Сандстрома. Статьи на эту тему выходят до сих пор. Вопрос окончательно не решен.

Вот лекция Хуанга для студентов про теорему Сандстрома
http://www.whoi.edu/science/po/people/rhuang/Lecture/03Sandstr.pdf
можно наверно нагуглить еще что-нибудь

Спасибо за объяснение! Весьма интересно.
Честно говоря, у меня еще вопросов прибавилось, так что я лучше через пол-часика напишу в своем журнале post на эту тему.
Там слишком много текста, чтобы это было можно вешать в виде комментария.