Возможная температура - Potential temperature

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 , которая для газа, хорошо приближенного к идеальному , определяется выражением ${\ 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

Концепция потенциальной температуры применима к любой стратифицированной жидкости. Наиболее часто он используется в атмосферных науках и океанографии . 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 в смешанном слое океана . Когда вместо этого используется потенциальная температура, эти явно нестабильные условия исчезают, поскольку слой жидкости остается неизменным вдоль своих изолиний.

Комментарии

Потенциальная температура - более важная с точки зрения динамики величина, чем фактическая температура. Это связано с тем, что на него не влияет физический подъем или опускание, связанное с обтеканием препятствий или крупномасштабной атмосферной турбулентностью. Сгусток воздуха, движущийся 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). Поскольку посылки с одинаковой потенциальной температурой можно обменивать без необходимости работы или обогрева, линии с постоянной потенциальной температурой являются естественными путями потока.

Практически при всех обстоятельствах потенциальная температура в атмосфере повышается 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.

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

и вертикальные движения подавляются. Если потенциальная температура уменьшается с высотой,

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

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.

Возможные температурные возмущения

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 PT будет отрицательным.

Вывод

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

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 в качестве практического заменителя плотности при расчетах плавучести. В этом определении - это потенциальная температура, - это соотношение смешивания водяного пара и - это соотношение смешивания жидкой воды с воздухом. ${\ displaystyle \ theta}$${\ displaystyle r}$${\ displaystyle r_ {L}}$

Связанные количества

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

Смотрите также

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

использованная литература

Список используемой литературы

• 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

• Мир физики Эрика Вайсштейна в Wolfram Research