Потенциальная температура

Потенциальная температура из участка жидкости при давлении представляет собой температуру , что посылка будет достичь , если адиабатически доведена до стандартного опорного давления , как правило , 1000 гПа (1000 мбар). Обозначается потенциальная температура, и для газа, хорошо аппроксимируемого идеальным , определяется как${\ displaystyle P}$${\ displaystyle P_ {0}}$${\ displaystyle \ theta}$

${\ displaystyle \ theta = T \ left ({\ frac {P_ {0}} {P}} \ right) ^ {R / c_ {p}},}$

где - текущая абсолютная температура (в К) посылки, - газовая постоянная воздуха, - удельная теплоемкость при постоянном давлении. по воздуху (метеорология).${\ displaystyle T}$${\ displaystyle R}$${\ displaystyle c_ {p}}$${\ displaystyle R / c_ {p} = 0,286}$

Контексты [ править ]

Концепция потенциальной температуры применима к любой стратифицированной жидкости. Чаще всего он используется в атмосферных науках и океанографии . ^[1] Причина, по которой он используется в обеих жидкостях, заключается в том, что изменения давления могут привести к тому, что более теплая жидкость будет находиться под более холодной жидкостью - примерами являются снижение температуры воздуха с высотой и повышение температуры воды с глубиной в очень глубоких океанских желобах и смешанных внутри океана. слой . Когда вместо этого используется потенциальная температура, эти явно нестабильные условия исчезают, поскольку слой жидкости остается неизменным вдоль своих изолиний.

Комментарии [ редактировать ]

Потенциальная температура - более важная с точки зрения динамики величина, чем фактическая температура. Это потому, что на него не влияет физический подъем или опускание, связанное с обтеканием препятствий или крупномасштабной атмосферной турбулентностью. Частица воздуха, движущаяся над небольшой горой, будет расширяться и охлаждаться при подъеме по склону, затем сжиматься и нагреваться при спуске с другой стороны - но потенциальная температура не изменится в отсутствие нагрева, охлаждения, испарения или конденсации. (процессы, исключающие эти эффекты, называются сухой адиабатической). Так как участки с одинаковой потенциальной температурой можно обменивать без необходимости работы или отопления, линии с постоянной потенциальной температурой являются естественными путями потока.

Практически при всех обстоятельствах потенциальная температура в атмосфере возрастает вверх, в отличие от реальной температуры, которая может увеличиваться или уменьшаться. Потенциальная температура сохраняется для всех сухих адиабатических процессов и, как таковая, является важной величиной в пограничном слое планеты (который часто очень близок к сухой адиабатической).

Потенциальная температура и гидростатическая стабильность

Потенциальная температура - полезная мера статической стабильности ненасыщенной атмосферы. В нормальных, стабильно стратифицированных условиях потенциальная температура увеличивается с высотой ^[2]

${\ displaystyle {\ frac {\ partial \ theta} {\ partial z}}> 0}$

и вертикальные движения подавляются. Если потенциальная температура уменьшается с высотой, ^[2]

${\displaystyle {\frac {\partial \theta }{\partial z}}<0}$

атмосфера неустойчива к вертикальным движениям, и вероятна конвекция . Поскольку конвекция способствует быстрому перемешиванию атмосферы и возврату к стабильно стратифицированному состоянию, наблюдения за понижением потенциальной температуры с высотой встречаются редко, за исключением случаев, когда идет интенсивная конвекция или в периоды сильной инсоляции . Ситуации, в которых эквивалентная потенциальная температура уменьшается с высотой, что указывает на нестабильность насыщенного воздуха, встречаются гораздо чаще.

Поскольку потенциальная температура сохраняется при адиабатических или изоэнтропических движениях воздуха, в установившихся адиабатических линиях потока или поверхностях с постоянной потенциальной температурой они действуют как линии тока или поверхности потока соответственно. Этот факт используется в изоэнтропическом анализе , форме синоптического анализа, который позволяет визуализировать движения воздуха и, в частности, анализ крупномасштабных вертикальных движений. ^[2]

Возможные температурные возмущения [ править ]

Атмосферное пограничный слой (ABL) потенциал возмущение температуры определяются как разность между потенциальной температурой ABL и потенциальной температурой свободной атмосферы над ABL. Это значение называется потенциальным дефицитом температуры в случае стокового течения, потому что поверхность всегда будет холоднее, чем свободная атмосфера, и возмущение ФТ будет отрицательным.

Вывод [ править ]

Энтальпия форму первого закона термодинамики можно записать в виде:

${\displaystyle dh=T\,ds+v\,dp,}$

где обозначает изменение энтальпии , температуру, изменение энтропии , удельный объем и давление.${\displaystyle dh}$${\displaystyle T}$${\displaystyle ds}$${\displaystyle v}$${\displaystyle p}$

Для адиабатических процессов изменение энтропии равно 0, а 1-й закон упрощается до:

${\displaystyle dh=v\,dp.}$

В течение примерно идеальных газов, таких как сухой воздух в атмосфере Земли, в уравнении состояния , могут быть заменены в 1 - й закона , получа, после некоторой перестановки:${\displaystyle pv=RT}$

${\displaystyle {\frac {dp}{p}}={{\frac {c_{p}}{R}}{\frac {dT}{T}}},}$

где был использован, и оба термина были разделены по продукту${\displaystyle dh=c_{p}dT}$${\displaystyle pv}$

Интегрирование урожайности:

${\displaystyle \left({\frac {p_{1}}{p_{0}}}\right)^{R/c_{p}}={\frac {T_{1}}{T_{0}}},}$

и вычисляя температуру, которую получит посылка при адиабатическом перемещении до уровня давления , вы получите:${\displaystyle T_{0}}$${\displaystyle p_{0}}$

${\displaystyle T_{0}=T_{1}\left({\frac {p_{0}}{p_{1}}}\right)^{R/c_{p}}\equiv \theta .}$

Возможная виртуальная температура [ править ]

Потенциальная виртуальная температура , определяемая${\displaystyle \theta _{v}}$

${\displaystyle \theta _{v}=\theta \left(1+0.61r-r_{L}\right),}$

- теоретическая потенциальная температура сухого воздуха, который имел бы ту же плотность, что и влажный воздух при стандартном давлении P ₀ . Он используется как практическая замена плотности при расчетах плавучести. В этом определении - потенциальная температура, - это соотношение водяного пара и соотношение жидкой воды в воздухе.${\displaystyle \theta }$${\displaystyle r}$${\displaystyle r_{L}}$

Связанные количества [ править ]

Частота Бранта – Вяйсяля - это тесно связанная величина, которая использует потенциальную температуру и широко используется при исследованиях стабильности атмосферы.

См. Также [ править ]

• Потенциальная температура влажного термометра
• Атмосферная термодинамика
• Консервативная температура
• Эквивалентная потенциальная температура

Ссылки [ править ]

Библиография [ править ]

• М.К. Яу и Р.Р. Роджерс, Краткий курс физики облаков, третье издание , опубликовано Butterworth-Heinemann, 1 января 1989 г., 304 страницы. ISBN 9780750632157 ISBN 0-7506-3215-1   

Внешние ссылки [ править ]

• Мир физики Эрика Вайсштейна в Wolfram Research