Temperatura potencjalna - Potential temperature

Temperatura potencjalna z paczki płynu pod ciśnieniem jest temperatura, paczka osiągnęłaby jeśli adiabatycznie przedstawia standardowego ciśnienia odniesienia , zwykle 1000 hPa (1000 MB). Temperatura potencjalna jest oznaczona i, dla gazu dobrze przybliżonego jako idealnego , jest dana przez ${\displaystyle P}$${\displaystyle P_{0}}$${\displaystyle \theta}$

${\ Displaystyle \ theta = T \ lewo ({\ Frac {P_ {0}} {P}} \ po prawej) ^ {R / c_ {p}}}$

gdzie jest aktualną temperaturą bezwzględną (w K) działki, jest stałą gazową powietrza i jest jednostkową pojemnością cieplną przy stałym ciśnieniu. dla powietrza (meteorologia). ${\displaystyle T}$${\ Displaystyle R}$${\displaystyle c_{p}}$${\ Displaystyle R / c_ {p} = 0,286}$

Konteksty

Pojęcie temperatury potencjalnej dotyczy każdego płynu uwarstwionego. Jest najczęściej używany w naukach o atmosferze i oceanografii . Powodem, dla którego jest on stosowany w obu płynach, jest to, że zmiany ciśnienia mogą skutkować cieplejszym płynem znajdującym się pod zimniejszym płynem – na przykład spadek temperatury powietrza wraz z wysokością i wzrost temperatury wody wraz z głębokością w bardzo głębokich rowach oceanicznych i w warstwie mieszanej oceanu . Gdy zamiast tego stosuje się potencjalną temperaturę, te pozornie niestabilne warunki znikają, ponieważ porcja płynu pozostaje niezmienna wzdłuż swoich izolinii.

Uwagi

Temperatura potencjalna jest wielkością bardziej dynamiczną niż temperatura rzeczywista. Dzieje się tak, ponieważ nie ma na nią wpływu fizyczne podnoszenie lub opadanie związane z przepływem nad przeszkodami lub turbulencjami atmosferycznymi na dużą skalę. Paczka powietrza poruszająca się nad małą górą rozszerza się i ochładza, gdy wspina się po zboczu, a następnie kompresuje i ogrzewa, gdy schodzi po drugiej stronie, ale potencjalna temperatura nie zmieni się w przypadku braku ogrzewania, chłodzenia, parowania lub kondensacji (procesy wykluczające te efekty określane są jako suche adiabatyczne). Ponieważ paczki o tej samej temperaturze potencjalnej można wymieniać bez pracy lub ogrzewania, linie o stałej temperaturze potencjalnej są naturalnymi drogami przepływu.

Prawie we wszystkich okolicznościach potencjalna temperatura wzrasta w górę w atmosferze, w przeciwieństwie do rzeczywistej temperatury, która może wzrosnąć lub spaść. Temperatura potencjalna jest zachowywana dla wszystkich suchych procesów adiabatycznych i jako taka jest ważną wielkością w warstwie granicznej planety (która często jest bardzo zbliżona do suchej adiabatycznej).

Potencjalna stabilność temperaturowa i hydrostatyczna

Temperatura potencjalna jest użyteczną miarą stabilności statycznej atmosfery nienasyconej. W normalnych, stabilnie uwarstwionych warunkach potencjalna temperatura wzrasta wraz ze wzrostem,

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

a ruchy pionowe są tłumione. Jeśli potencjalna temperatura spada wraz ze wzrostem,

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

atmosfera jest niestabilna w stosunku do ruchów pionowych i prawdopodobna jest konwekcja . Ponieważ konwekcja powoduje szybkie mieszanie atmosfery i powrót do stabilnego stanu uwarstwionego, obserwacje spadku temperatury potencjalnej wraz z wysokością są rzadkie, z wyjątkiem sytuacji, gdy trwa intensywna konwekcja lub w okresach silnego nasłonecznienia . Znacznie częściej występują sytuacje, w których równoważna potencjalna temperatura spada wraz z wysokością, wskazując na niestabilność w nasyconym powietrzu.

Ponieważ potencjalna temperatura jest utrzymywana w adiabatycznych lub izentropowych ruchach powietrza, w stałych, adiabatycznych liniach przepływu lub powierzchniach o stałej potencjalnej temperaturze działają odpowiednio jako linie prądu lub powierzchnie przepływu. Fakt ten jest wykorzystywany w analizie izentropowej , formie analizy synoptycznej, która umożliwia wizualizację ruchów powietrza, aw szczególności analizę ruchu pionowego w dużej skali.

Potencjalne zaburzenia temperatury

Atmosferycznego warstwa graniczna (ABL) Potencjał zaburzeń temperaturę definiuje się jako różnicę między potencjałem temperaturze ABL i potencjalnego temperaturze pokojowej atmosferze nad Abl. Wartość ta nazywana jest potencjalnym deficytem temperatury w przypadku przepływu katabatycznego , ponieważ powierzchnia zawsze będzie zimniejsza niż wolna atmosfera, a perturbacja PT będzie ujemna.

Pochodzenie

Postać entalpii pierwszej zasady termodynamiki można zapisać jako:

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

gdzie oznacza zmianę entalpii , temperaturę, zmianę entropii , objętość właściwą i ciśnienie. ${\displaystyle dh}$${\displaystyle T}$${\displaystyle ds}$${\displaystyle v}$${\displaystyle p}$

Dla procesów adiabatycznych zmiana entropii wynosi 0, a pierwsze prawo upraszcza się do:

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

Dla gazów w przybliżeniu idealnych, takich jak suche powietrze w atmosferze ziemskiej, równanie stanu , można podstawić do pierwszego prawa, dając po pewnym przekształceniu: ${\displaystyle pv=RT}$

${\ Displaystyle {\ Frac {dp} {p}} = {{\ Frac {c_ {p}} {R}} {\ Frac {dT} {T}}},}$

gdzie użyto the i oba terminy zostały podzielone przez produkt${\ Displaystyle dh = c_ {p} dT}$${\displaystyle pv}$

Łączenie uzysków:

${\ Displaystyle \ lewo ({\ Frac {p_ {1}} {p_ {0}}} \ po prawej) ^ {R / c_ {p}} = {\ Frac {T_ {1}} {T_ {0}} },}$

i rozwiązując dla , temperaturę, jaką uzyskałaby paczka, gdyby została przesunięta adiabatycznie do poziomu ciśnienia , otrzymujesz: ${\displaystyle T_{0}}$${\displaystyle p_{0}}$

${\ Displaystyle T_ {0} = T_ {1} \ lewo ({\ Frac {p_ {0}} {p_ {1}}} \ po prawej) ^ {R / c_ {p}} \ równoważnik \ theta.}$

Potencjalna temperatura wirtualna

Potencjalna temperatura wirtualna , zdefiniowana przez ${\ Displaystyle \ theta _ {v}}$

${\ Displaystyle \ theta _ {v} = \ theta \ lewo (1 + 0,61r-r_ {L} \ prawo)}$

jest teoretyczną potencjalną temperaturą suchego powietrza, które miałoby taką samą gęstość jak wilgotne powietrze przy standardowym ciśnieniu P ₀ . Jest używany jako praktyczny substytut gęstości w obliczeniach pływalności. W tej definicji jest to potencjalna temperatura, jest to stosunek zmieszania pary wodnej i jest to stosunek zmieszania ciekłej wody z powietrzem. ${\displaystyle \theta}$${\ Displaystyle r}$${\displaystyle r_{L}}$

Powiązane ilości

Częstotliwości Brunt-Vaisala jest ściśle związane z wielkością, która wykorzystuje potencjalną temperatury i jest szeroko stosowane w badaniach stabilności atmosferycznej.

Zobacz też

• Potencjalna temperatura mokrego termometru
• Termodynamika atmosfery
• Konserwatywna temperatura
• Równoważna potencjalna temperatura

Bibliografia

Bibliografia

• MK Yau i RR Rogers, Short Course in Cloud Physics, Third Edition , opublikowane przez Butterworth-Heinemann, 1 stycznia 1989, 304 strony. ISBN  9780750632157 ISBN  0-7506-3215-1

Linki zewnętrzne

• Świat fizyki Erica Weissteina w Wolfram Research