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3.0: Hausaufgaben - Geowissenschaften


B1(§). P aus dem Internet und tragen Sie das Ergebnis in eine Kopie des thermodynamischen Diagramms aus diesem Kapitel ein.

B2. Holen Sie sich für eine Wetterstation in der Höhe in Ihrer Nähe (oder für einen von Ihrem Lehrer angegebenen Standort) eine bereits aufgezeichnete aktuelle Sondierung aus dem Internet. Finden Sie die Hintergrundisotherme und Isobarenlinien und vergleichen Sie ihre Anordnung mit dem Diagramm (Abbildung 3.4) in diesem Kapitel. Wir werden mehr über andere Thermodiagrammformate im Kapitel Atmosphärenstabilität erfahren.

B3. Verwenden Sie das Internet, um die Temperaturen in Ihrer Stadt und in einer Stadt, die etwa 100 km in Windrichtung von Ihnen liegt, zu erfassen. Berechnen Sie auch die Windgeschwindigkeiten in beiden Städten und nehmen Sie einen Durchschnitt. Verwenden Sie diese Durchschnittsgeschwindigkeit, um den Beitrag der Advektion zur lokalen Erwärmung in der Luft zwischen diesen beiden Städten zu berechnen.

B4. Verwenden Sie das Internet, um eine Wetterkarte oder einen anderen Wetterbericht zu erhalten, der die beobachtete oberflächennahe Lufttemperatur kurz vor Sonnenaufgang an Ihrem Standort (oder an einem anderen von Ihrem Lehrer angegebenen Standort) anzeigt. Suchen Sie für denselben Standort eine Karte oder einen Bericht über die Temperatur am Nachmittag. Berechnen Sie aus diesen beiden Beobachtungen die Temperaturänderungsrate über diesen Zeitraum. Beschreiben Sie auch qualitativ, welche Terme im Eulerschen Wärmebudget am größten sein könnten. (Hinweis: Wenn es windig ist, ist vielleicht Advektion wichtig. Bei klarem Himmel könnte die Wärmeübertragung vom solarbeheizten Boden wichtig sein. Greifen Sie bei Bedarf auf andere Wetterkarten zu, um zu bestimmen, welcher physikalische Prozess für die Temperaturänderung am wichtigsten ist.)

B5. Verwenden Sie das Internet, um eine lokale Wetterkarte der scheinbaren Temperatur zu erhalten, z. B. Wind-Chill im Winter oder Hitzeindex (oder Humidex) im Sommer. Wenn die Karte Ihren Standort abdeckt, vergleichen Sie, wie sich die Luft für Sie anfühlt mit der scheinbaren Temperatur auf der Karte.

B6. Verwenden Sie das Internet, um Bilder von 4 verschiedenen Arten von Temperatursensoren zu erfassen (nicht 4 Modelle des gleichen Sensortyps).

A1. Bestimmen Sie die Änderung der fühlbaren Wärme (Enthalpie) (J), die 3 kg Luft besitzen, die sich um __°C erwärmt.

ein. 1b. 2c. 3d. 4e. 5f. 6
G. 7h. 8ich. 9j. 10k. 11m. 12

A2. Finden Sie die spezifische Wärme Cp feuchter Luft mit Wasser-Dampf-Mischungsverhältnis (gDampf/Gtrocken Luft) von:

ein. 0,010b. 0,012c. 0,014d. 0,016e. 0,018f. 0,020
h. 0,022ich. 0,024j. 0,026k. 0,028m. 0,030

A3. Bestimmen Sie die Änderung der latenten Wärme (J) für die Kondensation von ___ kg Wasserdampf.

ein. 0,2b. 0,4c. 0,6d. 0.8e. 1.0f. 1,2
G. 1,4h. 1,6ich. 1,8j. 2.0k. 2.2m. 2.4

A4. Ermitteln Sie die Temperaturänderung (°C) der Luft mit den folgenden Werten für Wärmeübertragung und Druckänderung unter Annahme einer Luftdichte von 1,2 kg m–3.

q (J kg–1)P (kPa)
ein.5005
b.10005
c.15005
d.20005
e.25005
f.30005
G.50010
h.100010
ich.150010
j.200010
k.250010
m.300010

A5. Ermitteln Sie die Temperaturänderung (°C), wenn ein Luftpaket die folgenden Entfernungen ansteigt, während es die unten angegebenen Wärmeübertragungswerte erfährt.

q (J kg–1)z (km
ein.5000.5
b.10000.5
c.15000.5
d.20000.5
e.25000.5
f.30000.5
G.5001
h.10001
ich.15001
j.20001
k.25001
m.30001

A6. Bestimmen Sie bei der folgenden Temperaturänderung ∆T (°C) über einen Höhenunterschied von ∆z = 4 km die Absturzrate (°C km–1):

ein. 2b. 5c. 10d. 20e. 30f. 40
G. 50h. –2ich. –5j. –10k. –20m. –30

A7. Ermitteln Sie die Endtemperatur (°C) eines Luftpakets mit der folgenden anfänglichen Temperatur- und Höhenänderung für einen adiabatischen Prozess.

TInitiale (°C)z (km)
ein.150.5
b.15–1.0
c.151.5
d.15–2.0
e.152.5
f.15–3.0
G.50.5
h.5–1.0
ich.51.5
j.5–2.0
k.52.5
m.5–3.0

A8. Ermitteln Sie mithilfe der Gleichungen (ohne das Thermodiagramm) die Endtemperatur (°C) der trockenen Luft bei einem Enddruck, wenn sie mit der Anfangstemperatur und dem angegebenen Druck beginnt. (Annahme adiabat.)

TInitiale (°C)PInitiale (kPa)PFinale(kPa)
ein.510080
b.510050
c.58050
d.580100
e.06080
f.06050
G.08040
h.080100
ich.–159080
j.–159050
k.–157050
m.–1570100

A9. Wie vorige Frage, aber verwenden Sie das Thermodiagramm Abbildung 3.4.

A10. Bei gegebener Luft mit Temperatur und Höhe wie unten aufgeführt, verwenden Sie Formeln (keine Thermodiagramme), um die potenzielle Temperatur zu berechnen. Zeigen Sie alle Schritte in Ihren Berechnungen an.

z (m)T (°C)
ein.40030
b.80020
c.1,10010
d.1,5005
e.2,0000
f6,000–50
G.10,000–90
h.–3035
ich.7003
j.1,300–5
k.4005
m.2,000–20

A11. Wie bei der vorherigen Übung, aber ermitteln Sie die virtuelle potenzielle Temperatur für feuchte Luft. Verwenden Sie ein Wasserdampf-Mischungsverhältnis von 0,01 gDampf/Gtrockene Luft wenn die Lufttemperatur über dem Gefrierpunkt liegt, und verwenden Sie 0,0015 gDampf/Gtrocken Luft wenn die Lufttemperatur unter dem Gefrierpunkt liegt. Angenommen, die Luft enthält kein Eis oder flüssiges Wasser.

A12. Verwenden Sie bei Luft mit Temperatur und Druck wie unten aufgeführt Formeln (keine Thermodiagramme), um die potenzielle Temperatur zu berechnen. Zeigen Sie alle Schritte in Ihren Berechnungen an.

P (kPa)T (°C)
ein.9030
b.8020
c.11010
d.705
e.850
f.40–45
G.20–90
h.10535
ich.753
j.60–5
k.655
m.50–20

A13. Wie vorige Übung, aber verwenden Sie das Thermodiagramm Abbildung 3.4.

A14. Verwenden Sie anstelle von Gleichungen die Abbildung 3.4, um die tatsächliche Lufttemperatur (°C) zu ermitteln:

P(kPa)(°C)
ein.10030
b.8030
c.6030
d.9010
e.7010
f.5010
G.80–10
h.50–10
ich.2050

A15(§). Verwenden Sie eine Kalkulationstabelle, um ein Thermodiagramm ähnlich Abbildung 3.4 zu berechnen und zu zeichnen, jedoch mit: Isothermen-Gitterlinien alle 10 °C und trockenen Adiabaten für alle 10 °C von –50 °C bis 80 °C.

A16. Ermitteln Sie die Temperaturänderungsrate (°C h–1) in einem Eulerschen Koordinatensystem ohne interne Wärmequelle, unter Berücksichtigung der kinematischen Flussdivergenzwerte unten. Angenommen x = ∆y = ∆z = 1 km.

∆Fx (K·m·s–1)∆Fy (K·m·s–1)∆Fz (K·m·s–1)
ein.123
b.12–3
c.1–23
d.1–2–3
e.–123
f.–12–3
G.–1–23
h.–1–2–3

A17. Bestimmen Sie bei gegebenem Wind- und Temperaturgradienten den Wert des kinematischen advektiven Flussgradienten (°C h–1).

V (m s–1)T/∆y (°C 100 km)
ein.5–2
b.52
c.10–5
d.105
e.–5–2
f.–52
G.–10–5
h.–105

A18. Bestimmen Sie bei gegebenem Wind- und Temperaturgradienten den Wert des kinematischen advektiven Flussgradienten (°C h–1).

W (m s–1)∆T/∆z (°C km–1)
ein.5–2
b.52
c.10–5
d.10–10
e.–5–2
f.–52
G.–10–5
h.–10–10

A19. Finden Sie den Wert des leitfähigen Flusses Fz cond (W m–2) bei einer Änderung der absoluten Temperatur mit der Höhe (T2 – T1 = Wert unten) über eine Distanz (z2 – z1 = 1m):

ein. –1b. –2c. -3d. –4e. –5f. –6G. –7
h. 1ich. 2j. 3k. 4m. 5n. 6Ö. 7

A20. Ermitteln Sie den effektiven turbulenten Oberflächenwärmefluss (°C·m s–1) über einem Wald bei einer Windgeschwindigkeit von 10 m s–1, Lufttemperatur von 20°C und Oberflächentemperatur (°C) von

ein. 21b. 22c. 23d. 24e. 25f. 26G. 27
h. 19ich. 18j. 17k. 16m. fünfzehnn. 14Ö. 13

A21. Bestimmen Sie den effektiven kinematischen Wärmestrom an der Oberfläche an einem ruhigen Tag für eine Auftriebsgeschwindigkeitsskala von 50 m s–1, einer Mischschichtpotentialtemperatur von 25°C und mit einer Oberflächenpotentialtemperatur (°C) von:

ein. 26b. 28c. 30d. 32e. 34f. 36G. 38
h. 40ich. 42j. 44k. 46m. 48n. 50

A22. Bestimmen Sie den effektiven kinematischen Wärmestrom an der Oberfläche an einem ruhigen Tag für eine Deardorff-Geschwindigkeit von 2 ms–1, einer Mischschichtpotentialtemperatur von 24°C und mit einer Oberflächenpotentialtemperatur (°C) von:

ein. 50

A23. Bestimmen Sie für trockene Luft die Auftriebsgeschwindigkeitsskala bei einer gegebenen Mischschicht-Potenzialtemperatur von 25 °C, einer Mischschicht-Tiefe von 1,5 km und einer Oberflächen-Potenzialtemperatur (°C) von:

ein. 27b. 30c. 33d. 36
e. 40f. 43G. 46h. 50

A24. Bestimmen Sie für trockene Luft die Deardorff-Geschwindigkeit w* für einen effektiven kinematischen Wärmestrom an der Oberfläche von 0,2 K·m s–1, Lufttemperatur von 30°C und Mischschichttiefe (km) von:

ein. 0,4b. 0,6c. 0.8d. 1.0
e. 1,2f. 1,4G. 1,6h. 1,8

A25. Bestimmen Sie den Wert der vertikalen Divergenz des kinematischen Wärmestroms, wenn der Strom an der Spitze einer 200 m dicken Luftschicht 0,10 K·m s . beträgt–1, und Fluss ( K·m s–1) ganz unten steht:

ein. 0,18c. 0,16d. 0,14
e. 0,12f. 0.10G. 0,08h. 0,06

A26. Welchen Wert hat der vertikale Gradient des turbulenten Flusses bei gegebenen Werten des effektiven Oberflächenwärmeflusses und der Grenzschichttiefe für den Tag bei schönem Wetter?

FH (K·m·s–1)zich (km)
ein.0.252.0
b.0.151.5
c.0.11.0
d.0.030.3
e.0.080.3
f.0.120.8
G.0.151.0
h.0.251.5

A27. In einer Umgebung vor dem Sturm, in der die Temperatur linear von 25 °C an der Erdoberfläche bis –60 °C in 11 km Entfernung (Tropopause) variiert. Welchen Wert hat der vertikale Gradient des turbulenten Flusses (K s–1) für eine Höhe (km) von:

ein. 0,1b. 0,5c. 1d. 1,5e. 2f. 2.5G. 3
h. 3.5ich. 4j. 5k. 6m. 7n. 8Ö. 11

A28. Ermitteln Sie den mittleren Troposphären-Maximalwert des Wärmestroms (K·m s–1) für eine stürmische Atmosphäre, in der die Troposphäre 11 km dick ist und die Lufttemperatur an der Spitze der Troposphäre der Lufttemperatur einer Standardatmosphäre entspricht. Aber die Lufttemperatur (°C) am Boden beträgt:

ein. 16b. 17c. 18d. 19e. 20f. 21G. 22
h. 23ich. 24j. 25k. 26m. 27n. 28Ö. 29

A29. Ermitteln Sie die latente Erwärmungsrate (°C h–1) gemittelt über die Troposphäre für ein Gewitter, wenn die Niederschlagsrate (mm h–1) ist:

ein. 0,5b. 1c. 1,5d. 2e. 2.5f. 3G. 3.5
h. 4ich. 4.5j. 5.5m. 6n. 6,5Ö. 7

A30. Unterhalb des Nettostrahlungsflusses (W m–2) die Oberfläche erreichen, ermitteln Sie die Summe der fühlbaren und latenten Wärmeströme (W m–2) an der Oberfläche. (Hinweis: Am Vorzeichen des Strahlungsflusses bestimmen, ob es Tag oder Nacht ist.)

ein. –600b. –550c. –500d. –450e. –400
f. –350G. –300h. –250ich. –200j. –150
k. -100m. –50n. 50Ö. 100s. 150

A31. Wie beim vorherigen Problem, aber schätzen Sie die Werte der fühlbaren und latenten Wärmeströme (W m–2) unter Annahme eines Bowen-Verhältnisses von:

A32. Angenommen, Sie haben Instrumente auf einem Turm montiert, um die Temperatur T und das Mischungsverhältnis r in zwei Höhen in der Oberflächenschicht (untere 25 m der Atmosphäre) wie unten angegeben zu beobachten. Bei einer Nettostrahlung von –500 W m–2 wurde ebenfalls an dieser Stelle gemessen, dann schätzen Sie die Werte der effektiven Oberflächenwerte des fühlbaren Wärmeflusses und des latenten Wärmeflusses.

Indexz(m)T(°C)r (gDampf/kgLuft
210T210
122015

wo T2 (°C) ist:

ein. 13,5b. 13c. 12,5d. 12e. 11,5f. 11
G. 10,5h. 10ich. 9,5j. 9k. 8,5m. 8

A33. Nicht nur eine stehende Person kann Windchill fühlen, wenn der Wind weht, sondern auch eine sich bewegende Person bei einem ruhigen Wind kann Windchill fühlen, denn am wichtigsten ist die Geschwindigkeit der Luft im Verhältnis zur Geschwindigkeit des Körpers. Wenn Sie sich mit der unten angegebenen Geschwindigkeit durch ruhige Luft der unten angegebenen Temperatur bewegen, würden Sie dann eine Windkälte von welcher scheinbaren Temperatur spüren? Gegeben: M (m s–1), T (°C).

ein. 5, 5b. 10, 5c. 15, 5d. 20, 5e. 25, 5
f. 30, –10G. 25, –10h. 20, –10ich. 15, –10j. 10, –10

A34(§). Ändere Gl. (3.64), um Eingangs- und Ausgangstemperaturen in Fahrenheit und Windgeschwindigkeiten in Meilen pro Stunde zu verwenden. Berechnen Sie genügend Werte, um ein Diagramm ähnlich Abb. 3.12 zu zeichnen, jedoch in diesen neuen Einheiten.

A35. Ermitteln Sie die scheinbare Wärmeindextemperatur (°C) für eine tatsächliche Lufttemperatur von 33°C und eine relative Luftfeuchtigkeit (%) von:

ein. 5b. 10c. 20d. 30e. 50G. 60
h. 70ich. 75j. 80k. 85m. 90n. 90

A36. Ermitteln Sie die scheinbare Lufttemperatur des Humidex (°C) für eine tatsächliche Lufttemperatur von 33°C und eine Taupunkttemperatur (°C) von:

ein. 32,5b. 32c. 31d. 29f. 28G. 26ich. 25j. 23k. 20m. 10Ö. 5

E1. Angenommen, 1 kg flüssiges Wasser mit anfänglich 15 °C befindet sich in einem isolierten Behälter. Dann gibst du 1 kg Eis in den Behälter. Das Eis schmilzt und das flüssige Wasser wird kälter. Schließlich ist ein endgültiges Gleichgewicht erreicht. Beschreiben Sie, was Sie bei diesem endgültigen Gleichgewicht erreichen?

E2. Erklären Sie mit eigenen Worten, warum die Einheiten für die spezifische Wärme Cp (J·kg–1·K–1) unterscheiden sich geringfügig von den Einheiten für den Latentwärmefaktor L (J·kg–1). (Hinweis: Lesen Sie die INFO-Box zur Inneren Energie.)

E3. Erklären Sie mit eigenen Worten, warum der Betrag von Cp sollte größer als der Betrag von C . seinv. (Hinweis: Lesen Sie die INFO-Box auf Cp vs. Cv).

E4. Betrachten Sie die INFO-Box auf Cp vs. Cv, wobei Abbildung 3I.3c einen Anfangszustand im Gleichgewicht darstellt. Angenommen, Sie fügen dem Kolben in Abb. (c) etwas Gewicht hinzu, wodurch der Kolben niedriger wird, um ein neues Gleichgewicht zu erreichen, aber es wird keine Wärmeenergie hinzugefügt (∆q = 0). Beschreiben Sie, was passieren würde mit: (a) den Molekülen im Durchschnitt, (b) der Gastemperatur im Zylinder, (c) der Luftdichte im Zylinder und (d) dem Luftdruck im Zylinder.

E5. Für den ersten Hauptsatz der Thermodynamik (Gl. 3.4d) sind welche Terme null für einen Prozess, der lautet:

ein. adiabatischb. isothermc. isobar

E6. Beginnen Sie mit Gl. (3.4) und verwenden Sie Algebra, um Gleichung (3.5) herzuleiten. Was mussten Sie für diese Ableitung annehmen? Hat das Ergebnis irgendwelche Einschränkungen?

E7. Spekulieren Sie für Abbildung 3.2 über andere nicht aufgeführte Prozesse, die die Luftpakettemperatur beeinflussen könnten.

E8. Erklären Sie anhand von Abbildung 3.3 in eigenen Worten den Unterschied zwischen einer Prozess- und einer Umweltfehlerrate. Können beide mit unterschiedlichen Werten auf gleicher Höhe existieren? Warum?

E9. Gl. (3.7) sagt uns, dass die Temperatur eines adiabatisch steigenden Luftpakets mit zunehmender Höhe linear abnimmt. Erklären Sie in Ihren eigenen Worten, warum Sie NICHT erwarten würden, dass derselbe Prozess eine lineare Temperaturabnahme mit abnehmendem Druck verursacht.

E10. Wenn ein Luftpaket isotherm ansteigt (nämlich wird Wärme hinzugefügt oder abgezogen, um eine konstante Temperatur aufrechtzuerhalten), was würde dann mit der potentiellen Temperatur des Luftpakets passieren, wenn es ansteigt?

E11. Chinook-Winde (auch als Föhnwinde bekannt) bestehen aus Luft, die den Leehang eines Berges hinabsteigt und sich dann ein Stück weit über das benachbarte Tal oder die angrenzende Ebene fortsetzt. Warum sind Chinook-Winde normalerweise warm, wenn sie das Tal erreichen? (Hinweis: Betrachten Sie den adiabatischen Abstieg eines Luftpakets.)

E12. Warum bewirken flüssige Wassertropfen und Eiskristalle in der Definition der virtuellen potentiellen Temperatur, dass die Luft schwerer wirkt (d. h. kältere virtuelle potentielle Temperatur), obwohl diese Partikel durch die Luft fallen?

E13. Machen Sie zuerst eine Fotokopie von Abbildung 3.4, damit Sie das Original-Thermodiagramm sauber halten können. a) Tragen Sie auf der Kopie das vertikale Temperaturprofil für eine Standardatmosphäre, wie in Kapitel 1 definiert, auf. Angenommen, dieses Standardprofil repräsentiert die Hintergrundumgebungsluft.

b) Tragen Sie in dieses Diagramm einen Punkt ein, der ein Luftpaket bei (P, T) = (100 kPa, 15°C) darstellt. Wenn Sie dieses Paket adiabatisch auf 50 kPa anheben, was ist seine neue Temperatur?

c) Ist die Pakettemperatur bei gleichem Druck um 50 kPa wärmer oder kälter als die Umgebung?

E14(§). Berechnen Sie für eine Standardatmosphäre (siehe Kap. 1) die potentielle Temperatur θ in z = 0, 2, 4, 6, 8, 10 km Höhe. Tragen Sie θ entlang der unteren Achse und z entlang der vertikalen Achse auf.

E15(§). Thermodiagramme haben oft viele verschiedene Arten von Linien überlagert. Zum Beispiel ist auf dem Hintergrund-T vs. log-P-Diagramm von Abbildung 3.4 nur eine Art von Linie aufgetragen: die trockenen Adiabaten. Beginnen Sie anstelle dieser Adiabaten mit dem gleichen Hintergrund eines T vs. log-P-Diagramms, zeichnen Sie stattdessen Linien, die Punkte gleicher Höhe verbinden (genannt Kontur Linien). Um diese Linien zu berechnen, verwenden Sie die hypsometrische Gleichung aus Kapitel 1, um nach P vs. (z, T) aufzulösen. Tun Sie dies für die Konturen z = 2, 4, 6, 8, 10 km, wobei für jede Höhe verschiedene Werte von T eingesetzt werden, um die entsprechenden Werte von P zu finden, die die Kontur definieren.

E16. Erklären Sie, warum der entsprechende Temperaturgradient negativ sein muss, damit die Advektion einen positiven Beitrag leistet (d. h. eine Erwärmung verursacht) und für Wind in einer positiven Koordinatenrichtung.

E17. Angenommen, milde Luft (20 °C in 10 m Höhe) ruht auf einem warmen Ozean (26 °C an der Oberfläche) und verursacht Konvektion (vertikales Umkippen der Luft). Wenn kein mittlerer horizontaler Wind weht, welchen Wert hat dann der effektive Wärmestrom an der Oberfläche? Angenommen eine Mischschicht von 1200 m Dicke mit einem mittleren thermodynamischen Zustand von r = 0,01 gDampf/gLuft und θ = 15°C.

E18. Licht breitet sich in warmer Luft schneller aus als in kalter Luft. Verwenden Sie diese Informationen zusammen mit Abbildung 3.7, um zu erklären, warum minderwertige Fata Morgana (Spiegelungen des Himmels) sind auf heißen Oberflächen wie Asphaltstraßen sichtbar. (Hinweis: Betrachten Sie eine Wellenfront, die sich hauptsächlich horizontal, aber auch in einem kleinen Winkel relativ zur Straßenoberfläche leicht nach unten bewegt, und verfolgen Sie die Vorwärtsbewegung jedes Teils dieser Wellenfront – eine optische Methode, die als Huygens-Prinzip bekannt ist. Siehe Details im Kapitel über atmosphärische Optik.)

E19. Unter welchen Bedingungen würde Gl. (3,34 - 3,35) mit einem Scheitern zu rechnen? Warum?

E20. Verwenden Sie Gl. (3.37) und (3.39) nach dem Wärmestrom als Funktion der Temperaturdifferenz aufzulösen.

E21. In Abbildung 3.8 ist der Wärmestrom in der Höhe am größten, wo Nein Veränderung des vertikalen Temperaturprofils von vor zu nach einem Sturm. Warum sollte das so sein?

E22. Wie schnell ändert sich die Lufttemperatur, wenn der einzige aktive thermodynamische Prozess eine direkte IR-Kühlung war?

E23. Bei einem Gewitter ist die Wasserkondensation in der Troposphäre oft viel größer als die Regenmenge, die den Boden erreicht. Woran liegt das und wie könnte es sich auf das über die gesamte Gewittertiefe gemittelte Wärmebudget auswirken?

E24. (3.51) hat welche Einschränkungen?

E25. Kommentar zu den relativen Stärken von advektiver vs. latenter Erwärmung in einem Eulerschen System bei gegebenem V = 5 m s–1, ∆T/∆y = –5°C/1000km, und 1 g/kg Wasser kondensiert alle 5 Minuten.

E26. Erstellen Sie eine Figur ähnlich wie in Abbildung 3.9, aber für:

a) tagsüber über eine weiße Betonstraße,

b) nächtliche schwarze Asphaltstraße.

E27. Es wird manchmal gesagt, dass der leitfähige Wärmefluss in den Boden eine Reaktion auf Strahlungsantriebe an der Oberfläche ist. Ist diese Aussage mit der groben Parametrisierung vereinbar, die in diesem Buch für den Fluss in den Boden vorgestellt wird? Erklären.

E28. Wie groß ist die anfängliche Änderungsrate der durchschnittlichen Mischschichtlufttemperatur mit horizontalem Abstand in Windrichtung, wenn die Luft anfänglich 5 °C kälter als das Wasser ist, wenn die Luft mit einer Geschwindigkeit von 15 m s über das Wasser bläst?–1? Berücksichtigen Sie ein Mitreißen in die Oberseite der Mischschicht, vernachlässigen Sie jedoch andere Erwärmungs- oder Abkühlungsprozesse.

E29. Können die Parametrisierungen (Gl. 3.58 - 3.61) tatsächlich einen ausgeglichenen Wärmehaushalt ergeben? Für welche Situationen sind diese Parametrisierungen gültig?

E30. (§). Angenommen, wir verwenden die Wärmeübertragungs-Gl. (3.35) als Grundlage für die Ableitung von Windchill. Das Ergebnis könnte eine andere Wind-Kälte-Beziehung sein:

( egin{align} T_{ ext {Windchill}} =T_{s}+left(T_{ ext {Luft}}-T_{s} ight) cdotleft[b+a cdotleft(frac{M+M_{o}}{M_{o}} ight)^{0.16} ight]+T_{c} ag{3.67}end{align})

wo Tso = 34,6 °C ist eine effektive Hauttemperatur, und wobei a = 0,5 , b = 0,62 , Tc = 4,2°C und MÖ = 4,8 kmh–1. Zeichnen Sie diese Gleichung als Diagramm ähnlich wie in Abbildung 3.12 und kommentieren Sie den Unterschied zwischen der obigen Formel und der tatsächlichen Wind-Chill-Formel.

E31. Beachten Sie in Abbildung 3.12, dass sich die Kurven bei langsamen Windgeschwindigkeiten am stärksten verbiegen. Warum könnten Sie erwarten, dass dies der Fall ist?

S1. Beschreiben Sie die Veränderung des Ozeans, wenn Kondensation eine Abkühlung und Verdunstung eine Erwärmung der Luft bewirkt. Nehmen Sie trockene Luft über dem Ozean an.

S2. Nehmen Sie an, dass keine latente Wärme mit den Phasenänderungen von Wasser verbunden ist. Beschreiben Sie die möglichen Klima- und Wetteränderungen, falls vorhanden?

S3. Beschreiben Sie die Veränderung der Atmosphäre, wenn aufsteigende Luftpakete adiabatisch wärmer und sinkende Luftpakete kühler werden.

S4. Angenommen, für jeden 1 km langen Anstieg eines Luftpakets vermischt sich das Paket mit einer gleichen Masse der umgebenden Umgebungsluft. Wie würde sich die Prozessablaufrate für dieses aufsteigende Luftpaket (wenn überhaupt) von der Ablaufrate eines adiabatisch aufsteigenden Luftpakets (ohne Vermischung) unterscheiden?

S5. Die Makrothermodynamik (die Art, die wir in diesem Kapitel verwendet haben) betrachtet den statistischen Zustand einer großen Ansammlung von Molekülen, die häufig miteinander kollidieren, und wie sie im Durchschnitt mit ihrer Umgebung interagieren. Kann dieselbe Makrothermodynamik in der Exosphäre verwendet werden, wo einzelne Luftmoleküle sehr weit voneinander entfernt sind (d. h. einen großen mittleren freien Weg haben) und selten interagieren? Warum? Erklären Sie auch, wie Wärmebudgets in der Exosphäre genutzt werden können.

S6. Könnte es Situationen geben, in denen Umwelt- und Prozessausfallraten gleich sind? Wenn ja, nennen Sie einige Beispiele.

S7. Angenommen, die virtuelle potentielle Temperatur wird nicht durch die Menge an festem oder flüssigem Wasser in der Luft beeinflusst. Wie würden sich Wetter und Klima ändern, wenn überhaupt?

S8. Der Hintergrund des Thermodiagramms von Abbildung 3.4 ist ein orthogonales Gitter, in dem die Isothermen senkrecht zu den Isobaren aufgetragen sind. Angenommen, Sie erstellen ein neues Thermodiagramm mit den trockenen Adiabaten senkrecht zu den Isobaren. Wie würden in einem solchen Diagramm die Isothermen gezeichnet? Um dies zu beantworten, zeichnen Sie eine Skizze dieses neuen Diagramms mit den Isobaren, Adiabaten und Isothermen. (Tun Sie dies als konzeptionelle Übung, nicht indem Sie Gleichungen lösen, um Zahlen zu erhalten.)

S9. Beschreiben Sie Veränderungen des Wärmehaushalts der Erdoberfläche, wenn die geologische Kruste aus 1 km dickem Aluminium (einem hervorragenden Wärmeleiter) besteht, das die gesamte Erde bedeckt.

S10. Angenommen, Sie sitzen in einem Zug, der mit konstanter Geschwindigkeit geradeaus fährt. Sie führen Messungen der umgebenden Umgebungsluft durch, während der Zug das Gleis entlangfährt.

a) Wenn die Umgebungsluft ruhig war, glauben Sie, dass Ihre Messungen Euler-, Lagrange- oder keines von beiden sind? Erklären.

b) Wenn sich die Umgebungsluft in einer beliebigen Geschwindigkeit oder Richtung bewegte, glauben Sie, dass Ihre Messungen Eulersche, Lagrangesche oder keines von beiden sind? Erklären.

c) Versuchen Sie, eine Wärmehaushaltsgleichung zu erstellen, die im Rahmen Ihrer konstanten Übersetzungsgeschwindigkeit von M . funktioniertÖ.

S11. Beschreiben Sie, wie sich die atmosphärische Struktur, das Klima und das Wetter ändern würden, wenn die Troposphäre für alle IR-Strahlung vollständig transparent, für die Sonnenstrahlung jedoch größtenteils undurchlässig wäre.

S12. Beschreiben Sie, wie Fehler in den Schätzungen des empfindlichen und latenten Wärmeflusses an der Oberfläche zunehmen würden, wenn sich die Temperatur- und Feuchtigkeitsunterschiede zwischen den beiden Messniveaus Null näherten.

S13. Das Windchill-Konzept zeigt, wie es sich kälter anfühlt, wenn es windiger ist. In Situationen, in denen der Windchill viel kälter ist als die tatsächliche Lufttemperatur, auf welche Temperatur kühlt ein Automotor nach dem Abstellen ab? Warum? (Angenommen, das Auto steht draußen und ist dem Wind ausgesetzt.)

Beispielanwendung

[Dieses Beispiel gilt für Gl. 3.1 und 3.3, wurde aber hier auf die letzte Seite des Kapitels gesetzt, weil vorher im Kapitel kein Platz dafür war.]

Wie viel Tau muss an den Seiten einer Dose Soda kondensieren, damit sie das Soda von 1°C auf 16°C erwärmt?

Hinweise: Vernachlässigen Sie die Wärmekapazität der Metalldose. Die Dichte von flüssigem Wasser beträgt 1000 kg·m–3. Angenommen, die Dichte von Soda entspricht der von reinem Wasser. Angenommen, das Volumen einer Dose beträgt 354 ml (Milliliter), wobei 1 l = 10–3 ich3.

Finde die Antwort

Gegeben: ρWasser = 1000 kg·m–3.

Cflüssig = 4200 J·kg–1·K–1

Volumen (Vol) in Dose = 354 ml

LBedingung = + 2,5x106 J·kg–1

T = 15K

Finden: Kondensatvolumen

Gleichen Sie die latente Wärmeabgabe durch Kondensieren von Wasserdampf (Gl. 3.3) mit der fühlbaren Wärme aus, die durch die Flüssigkeit in der Dose gewonnen wird (Gl. 3.1).

QE = ∆QH

ρKondensat· (∆Vol Kondensat)·LBedingung =Sprudel· (Vol. Dose)·Cflüssig·∆T

Angenommen, die Dichte von Kondensat und Soda ist gleich, also heben sie sich auf. Die Gleichung kann dann nach ∆Kondensatvolumen aufgelöst werden.

∆Kondensatvolumen = (Volumen der Dose)·Cflüssig·∆T LBedingung = (354 ml)·(4200 J·kg–1·K–1)·(15 K) (2,5x106 J·kg–1) = 8,92 ml

Prüfen: Einheiten in Ordnung. Skizze OK. Physik in Ordnung.

Exposition: Die latente Wärme ist so groß, dass eine Wassermenge von nur 2,5 % des Dosenvolumens außen kondensieren muss, um die Dose um 15 °C zu erwärmen. Um Ihre Dose kühl zu halten, isolieren Sie daher die Außenseite, um zu verhindern, dass Tau kondensiert.


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