气候系统与第二定律热力学

热力学第二定律暗示了地球净熵输出与其内部不可逆熵产生之间的关系。本文综述了将该约束用于理解地球气候的应用。辐射过程与物质过程共同造成了气候系统中的不可逆熵产生。聚焦于物质过程，我们推导了气候系统的熵收支，其考虑了水循环的多相性质。该熵收支促成了大气环流的热机视角，并已被用于提出关于对流上升速度、热带气旋强度以及大气经向热输送的理论。然而，此类理论只有当恰当地计入与大气中各种相态水相关的不可逆熵产生时才能成功。与此类湿过程相关的不可逆性在全球气候变化背景下尤为重要，预计大气中水蒸气浓度将增加，本文讨论了理解大气热机对气候变化响应的最新进展。最后，简要综述了变分方法在气候与地球物理流中的应用，包括使用平衡统计力学预测长寿命相干结构的行为，以及颇具争议的最大熵产生原理。