Makarieva A.M., Gorshkov V.G., Sheil D., Nobre A.D., Li B.-L. (2013) Where do winds come from? A new theory on how water vapor condensation influences atmospheric pressure and dynamics. Atmospheric Chemistry and Physics, 13, 1039-1056. An update.
Abstract
Phase transitions of atmospheric water play a ubiquitous role in the Earth's climate system, but their direct impact on atmospheric dynamics has escaped wide attention. Here we examine and advance a theory as to how condensation influences atmospheric pressure through the mass removal of water from the gas phase with a simultaneous account of the latent heat release. Building from fundamental physical principles we show that condensation is associated with a decline in air pressure in the lower atmosphere. This decline occurs up to a certain height, which ranges from 3 to 4 km for surface temperatures from 10 to 30 oC. We then estimate the horizontal pressure differences associated with water vapor condensation and find that these are comparable in magnitude with the pressure differences driving observed circulation patterns. The water vapor delivered to the atmosphere via evaporation represents a store of potential energy available to accelerate air and thus drive winds. Our estimates suggest that the global mean power at which this potential energy is released by condensation is around one per cent of the global solar power – this is similar to the known stationary dissipative power of general atmospheric circulation. We conclude that condensation and evaporation merit attention as major, if previously overlooked, factors in driving atmospheric dynamics.

Notes

A new paper in a leading journal, Atmospheric Chemistry and Physics (ACP), challenges centuries' old views on what determines dominant patterns of atmospheric circulation. Wind patterns are of crucial importance for regional climates: they determine the temperature regime and bring rain to land from the ocean. But do we really understand how winds form? In our paper we propose a new mechanism of wind formation based on pressure gradients generated by condensation of water vapor. This theory underlines that land-cover, especially forest vegetation, play a far greater role in sustaining wind and rainfall patterns than previously thought.

Air is set in motion by pressure gradients. The conventional view on wind formation considers air motions caused by pressure gradients associated with spatial temperature differences: warm air rises, while cold air sinks. This conventional temperature gradient approach can be used with thermodynamics-based analyses to allow estimation of the maximum possible efficiency of converting heat to work in the atmosphere. But it does not provide information about the actual efficiency of the atmospheric heat engine. Our new theory suggests that this efficiency is likely to be small (close to zero) as most winds are generated not by temperature but by the distinct processes related to moisture condensation.

Our theory relies on the phase changes of water and water vapor. It is well-known that air pressure declines with height, but this pressure gradient cannot generate kinetic energy. When the air rises, the upward pressure gradient force acting on the gas is balanced by gravity. Water vapor changes this balance. In contrast to the dry air, water vapor pressure declines much more rapidly with increasing height due to condensation. This water vapor pressure gradient exceeds the gravity force and can generate kinetic energy. It can be compared to a spring that is being decompressed while the air rises: it is this spring that drives the air motion.Since the condition of hydrostatic equilibrium prevents the formation of strong vertical winds, the dynamics lead to formation of horizontal pressure gradients and winds.We have developed a consistent set of relationships that indicate the magnitude of this effect. The estimate of global circulation power derived from the new theory matches empirical observations. Such estimates had not been possible before.

Our propositions have generated interest as well as criticisms. The paper has been under open peer-review for two and a half years (much longer than normal). During this time it secured many online comments and was intensely discussed in the blogosphere. The Editor Comment accompanying the paper reflects the controversy and alerts the reader that this publication of an "entirely new view of what may be driving dynamics in the atmosphere" should be seen as "a call for a further development" of the ideas. We agree and support this call.

The theory merits deep investigation by the scientific community. The most important implication of the new theory concerns the potential re-evaluation of the role of land cover and especially forests in determining regional winds and moisture transport. Forests represent both a store and a flux of moisture, which create persistent low pressure zones on land. This causes winds to blow from the ocean to land carrying moisture which feeds the terrestrial water cycle. Deforestation represents a significantly greater threat for the regional water abundance and climate stability than previously recognized. Preserving and recovering forest cover may prove to be the cheapest and most reliable means of ensuring regional environmental sustainability. We hope our ideas will be examined objectively and urgently.

Our paper was extensively discussed at Climate Etc. Below is a selection of comments that might serve as entry points to the discussion and provide a brief guide over the paper.We would also recommended to read the post itself (available as PDF). Media coverage of the paper can be found here.

General
What is the gap that the new theory fills?
What is the power of global circulation?
Circulation power and air velocity: what is being predicted
Windy continents and seas

Condensation-driven winds and the first law of thermodynamics
A brief summary
An extension

Why we needed Section 3.3
Thought experiments

Hydrostatic Equilibrium
Non-equilibrium equation for water vapor
Response
Another aspect

Equation 34
Discussion Summary 1
Discussion Summary 2

Latent heat
Links to several comments

Droplets
Thread discussing the effect of droplets

Further research
Isothermal case
Double ITCZ

Biotic pump and condensation-driven winds
Amazon rainforest and trade winds
Rainfall distribution over land
Precipitation over Australia

Макарьева А.М., Горшков В.Г., Шейл Д., Нобре А.Д., Ли Б.-Л. (2013) Почему дует ветер? Новая теория о влиянии конденсации водяного пара на атмосферное давление и атмосферную динамику. Atmospheric Chemistry and Physics, 13, 1039-1056. [на англ. яз.] An update.
Аннотация
Фазовые переходы атмосферной влаги сопровождают все основные процессы, происходящие в климатической системе Земли. Однако их непосредственное влияние на атмосферную динамику до сих пор не было подвергнуто широкому исследованию. Здесь мы представляем теоретический подход, описывающий, как конденсация влияет на атмосферное давление путем удаления водяного пара из газовой фазы (с одновременным учетом выделения латентного тепла). На основе базовых физических принципов мы показываем, что конденсация приводит к понижению давления воздуха в нижней атмосфере. Это понижение происходит до определенной высоты, величина которой меняется от 3 до 4 км для температур поверхности, меняющихся от 10 до 30 градусов Цельсия. Далее мы оцениваем горизонтальные градиенты давления, связанные с конденсацией водяного пара, и показываем, что они совпадают по величине с градиентами, ответственными за наблюдаемые циркуляционные явления. Водяной пар, поступающий в атмосферу с испарением, представляет собой запас потенциальной энергии, за счет которой воздух может ускоряться и появляться ветер. Наши оценки показывают, что среднеглобальная мощность выделения этой потенциальной энергии при конденсации составляет около одного процента глобальной солнечной мощности и близка по величине к диссипативной мощности общей атмосферной циркуляции. Мы заключаем, что конденсация и испарение заслуживают внимания как главный, ранее не исследованный, фактор, определяющий атмосферную динамику.

Примечания

Предложен принципиально новый физический механизм образования ветра в атмосфере, содержащей конденсирующийся газ (водяной пар). Статья на эту тему опубликована в ведущем метеорологическом журнале Atmospheric Chemistry and Physics.

Газы и жидкости приводятся в движение градиентами давления. Хорошо известно, что давление воздуха падает с высотой, образуя вертикальный градиент давления. Однако этот градиент не приводит к ускорению воздуха, так как работа градиента давления при подъёме или опускании воздуха в точности компенсируется противоположной по знаку работой силы тяжести. Это условие равновесия, называемого гидростатическим, обеспечивает устойчивое присутствие воздуха вблизи земной поверхности в течение времён порядка миллиардов лет.

Наличие в атмосфере конденсирующегося газа – водяного пара – в корне меняет ситуацию. Охлаждение влажного воздуха при его подъёме приводит к конденсации водяного пара и его выбыванию из газовой фазы. По этой причине давление водяного пара падает с высотой существенно быстрее, чем давление остальных неконденсирующихся газов воздуха (азота, кислорода и др.). Как следствие, мощность силы градиента давления* водяного пара при подъёме влажного воздуха в несколько раз превышает мощность силы тяжести, действующий на водяной пар. Авторы статьи утверждают, что именно эта чистая разница в мощности (т.е. мощность, остающаяся после того, как водяной пар “сам себя поднял”) и движет атмосферной циркуляцией на Земле.

Мощность атмосферной циркуляции** определяется локальной скоростью конденсации и, следовательно, осадками. Поскольку условие гидростатического равновесия препятствует образованию больших вертикальных скоростей воздуха, конденсационная мощность, связанная с вертикальным подъёмом воздуха, переводится в мощность горизонтальных потоков воздуха, сопровождающихся возникновением горизонтальных градиентов давления.

Количественная оценка мощности глобальной циркуляции, полученная на основе новой теории, прекрасно совпала с экспериментальными данными. Аналогичных оценок в традиционной метеорологической теории не существует. Традиционный взгляд на происхождение ветра основан на рассмотрении температурных градиентов: тёплый и, следовательно, лёгкий воздух поднимается, тяжелый и холодный – опускается. Этот подход, основанный на равновесной термодинамике, позволяет определить лишь максимально возможный к.п.д. преобразования тепла в работу (кинетическую энергию). Однако он не позволяет определить реальный к.п.д. тепловой машины атмосферы. Новая теория позволяет заключить, что этот тепловой к.п.д. близок к нулю, а кинетическая энергия воздуха имеет принципиально иное происхождение.

Новая теория, полностью переворачивающая традиционные взгляды на атмосферную циркуляцию, вызвала широкий интерес и разносторонние отклики в научном сообществе. Статья авторов находилась на рецензировании рекордно долгий срок – более двух с половиной лет. За это время она собрала большое количество комментариев в открытой научной дискуссии на страницах журнала и интенсивно обсуждалась в англоязычной климатологической блогосфере. В сопровождающем статью комментарии редактора подчёркивается, что публикацию “совершенно нового взгляда на движущую силу атмосферной динамики” следует рассматривать не как одобрение редколлегией журнала новой теории, но как “призыв к дальнейшему развитию” представленных авторами положений.

Авторы всецело поддерживают этот призыв. Важнейшим следствием новой теории является переосмысление роли лесного покрова в поддержании региональной атмосферной циркуляции и воздушного транспорта влаги с океана на сушу. Сохранение влаги в почве леса, испарение влаги с поверхности лесного покрова и её конденсация, регулируемая биогенными ядрами конденсации, приводит к образованию устойчивых зон пониженного давления на покрытых лесами территориях. Это приводит к появлению ветрового потока, приносящего влагу с океана на сушу и питающего круговорот воды на суше. Сведение лесов приводит к опустыниванию и представляет собой гораздо бoльшую угрозу, чем это предполагается в традиционной климатологической парадигме. Понимание истинной ценности естественного леса и его роли в транспорте влаги с океана исключительно важно для России, где сохранился самый протяженный лесной массив, и бoльшая часть территории которой находится на значительном расстоянии от берегов океанов.

*Градиент давления – это сила, действующая на единицу объёма воздуха, размерность Ньютон на кубический метр. Мощность (работа (т.е. сила на путь) в единицу времени) – это векторное произведение силы на скорость. Мощность вертикального градиента давления – произведение вертикального градиента давления и вертикальной скорости, размерность Ватт на кубический метр. Мощность силы тяжести – произведение силы тяжести на вертикальную скорость.
**Мощность глобальной циркуляции – скорость генерации кинетической энергии ветра на единицу площади, размерность Ватт на квадратный метр. Так как кинетическая энергия генерируется горизонтальными градиентами давления, мощность глобальной циркуляции равна интегралу по высоте от произведения вектора горизонтальной скорости на вектор горизонтального градиента давления. Мощность глобальной циркуляции представляет собой ту долю солнечной радиации, которая затрачивается на генерацию ветра. Эта доля порядка одного процента, а мощность глобальной циркуляции -- около 4 Вт/м2.

Историю и обсуждения статьи до публикации см. здесь. Подробное обсуждение после публикации см. здесь. СМИ отреагировали так:

 
Controversial research outlines physics behind how forests may bring rain
Jeremy Hance mongabay.com 30 January 2013.
Keep rainforests – they drive the planet's winds
Fred Pearce New Scientist 31 January 2013, No. 2902.
Forests as rainmakers: CIFOR scientist gains support for a controversial hypothesis
Ashlee Betterige Forests News (Center for International Forestry Research) 28 January 2013.
New study claims forests cause winds and rain
Southern Cross University 30 January 2013.
Branching out on climate
Graham Lloyd The Australian 02 February 2013 PDF (3 Mb).
Regnskog kan fungera som vindfabriker
Karin og Jesper Institutet Sveriges Radio 30 March 2013.
Почему дует ветер? Наука и жизнь, №3, 2013, с. 12-13.
Streit um die biotische Pumpe
Lucian Hass Deutschlandradio 23 April 2013.
Whether the paper should have been published, or not:
Richard Smith: The editor thinks your paper is nonsense but will publish anyway
Atmospheric Chemistry and Physics Throws Itself Into the Trash
Makarieva et al finally get their groundbreaking paper on Atmospheric Thermodynamics published
Accepted at Atmospheric Chemistry and Physics after nearly two and half years
Peer review problems at EGU journals?