Атмосфера представляет собой многокомпонентную систему, находящуюся в состоянии динамического равновесия под воздействием солнечного излучения, теплопередачи, фазовых переходов и химических реакций. Термодинамические процессы в атмосфере определяют климатические условия, циркуляцию воздушных масс, формирование облаков и осадков, а также распределение газов, включая парниковые и окислительно-активные соединения.
Ключевым фактором является приток энергии от Солнца и её перераспределение в атмосфере. Энергетический баланс складывается из:
Фундаментальное уравнение энергетического баланса атмосферы можно записать как:
Qсол − Qотраж − Qизл + Qконв + Qлат = 0,
где Qсол — приток солнечной радиации, Qотраж — альбедо, Qизл — тепловое излучение Земли и атмосферы, Qконв — конвективный перенос тепла, Qлат — скрытая теплота фазовых переходов воды.
Давление атмосферы напрямую связано с распределением молекул газа по высоте. Основное уравнение гидростатического равновесия:
$$ \frac{dp}{dz} = - \rho g, $$
где p — давление, ρ — плотность воздуха, g — ускорение свободного падения, z — высота.
Используя уравнение состояния идеального газа,
$$ pV = nRT \quad \text{или} \quad p = \rho \frac{RT}{M}, $$
можно определить зависимость давления от высоты и температуры. Это приводит к барометрической формуле, описывающей экспоненциальное убывание давления с увеличением высоты:
$$ p(z) = p_0 \exp\left(-\frac{Mgz}{RT}\right), $$
где M — молярная масса воздуха, T — температура, p0 — давление у поверхности.
Подъём и опускание воздушных масс происходит преимущественно адиабатически, то есть без обмена теплом с окружающей средой. Температурный градиент при адиабатическом расширении или сжатии определяется уравнением Пуассона:
TVγ − 1 = const, pVγ = const,
где γ = Cp/Cv — показатель адиабаты.
Для сухого воздуха адиабатический градиент составляет приблизительно 9, 8 К/км. В присутствии водяного пара процесс становится псевдоадиабатическим: выделение скрытой теплоты при конденсации уменьшает величину температурного градиента и способствует образованию облаков.
Вода играет фундаментальную роль в термодинамике атмосферы. Фазовые переходы сопровождаются значительными тепловыми эффектами:
Эти процессы определяют теплообмен и динамику атмосферных явлений. Например, при образовании облаков скрытая теплота конденсации способствует развитию конвективных потоков и образованию грозовых систем.
Атмосфера является открытой термодинамической системой, где процессы носят преимущественно необратимый характер. Увеличение энтропии проявляется в виде диссипации энергии при турбулентности, молекулярной диффузии и вязком трении. Второй закон термодинамики объясняет направленность атмосферных явлений: тепловая энергия переходит от нагретых областей (экваториальных) к холодным (полярным), обеспечивая глобальную циркуляцию.
Важную роль играют реакции с участием кислорода, озона, углекислого газа, оксидов азота и серы. Их протекание сопровождается изменением свободной энергии Гиббса, определяющей возможность самопроизвольного протекания процессов. Озонообразование в стратосфере является примером фотохимической реакции, где термодинамика взаимодействует с квантовой природой излучения.
Для равновесных химических процессов в атмосфере выполняется условие:
ΔG = ΔH − TΔS = 0,
что позволяет оценивать стабильность соединений в разных слоях атмосферы.
Термодинамические закономерности лежат в основе формирования климатической системы Земли. Парниковый эффект связан с изменением теплового баланса: определённые газы увеличивают поглощение инфракрасного излучения и уменьшают тепловое излучение в космос. Изменение содержания углекислого газа, метана и водяного пара приводит к смещению равновесия энергетического баланса и росту средней температуры атмосферы.