Potensiell temperatur - Potential temperature

Den potensielle temperaturen til en væskepakke ved trykk er temperaturen pakken ville oppnå hvis den ble adiabatisk brakt til et standard referansetrykk , vanligvis 1000 hPa (1000 mb). Den potensielle temperaturen er angitt, og for en gass som er godt tilnærmet som ideell , er gitt av ${\ displaystyle P}$${\ displaystyle P_ {0}}$${\ displaystyle \ theta}$

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

hvor er den nåværende absolutte temperaturen (i K) for pakken, er luftens gasskonstant , og er den spesifikke varmekapasiteten ved et konstant trykk. for luft (meteorologi). ${\ displaystyle T}$${\ displaystyle R}$${\ displaystyle c_ {p}}$${\ displaystyle R/c_ {p} = 0,286}$

Kontekster

Konseptet med potensiell temperatur gjelder enhver stratifisert væske. Det er oftest brukt i atmosfæriske vitenskaper og oseanografi . Grunnen til at den brukes i begge væskene er at endringer i trykket kan resultere i at varmere væske oppholder seg under kaldere væske - eksempler er å senke lufttemperaturen med høyde og øke vanntemperaturen med dybde i svært dype havgraver og i det blandede sjølaget . Når potensiell temperatur brukes i stedet, forsvinner disse tilsynelatende ustabile forholdene ettersom en pakke med væske er invariant langs dens isoliner.

Kommentarer

Potensiell temperatur er en mer dynamisk viktig mengde enn den faktiske temperaturen. Dette er fordi det ikke påvirkes av de fysiske løftene eller synkingen forbundet med flyt over hindringer eller storstilt atmosfærisk turbulens. En luftpakke som beveger seg over et lite fjell vil ekspandere og avkjøle seg når den stiger opp bakken, deretter komprimere og varme når den synker på den andre siden- men den potensielle temperaturen vil ikke endres ved fravær av oppvarming, avkjøling, fordampning eller kondens (prosesser som utelukker disse effektene kalles tørr adiabatisk). Siden pakker med samme potensialtemperatur kan byttes ut uten at arbeid eller oppvarming er nødvendig, er linjer med konstant potensialtemperatur naturlige strømningsveier.

Under nesten alle omstendigheter øker potensiell temperatur oppover i atmosfæren, i motsetning til faktisk temperatur som kan øke eller senke. Potensiell temperatur bevares for alle tørre adiabatiske prosesser, og som sådan er en viktig mengde i planetgrenselaget (som ofte er veldig nær å være tørr adiabatisk).

Potensiell temperatur og hydrostatisk stabilitet

Potensiell temperatur er et nyttig mål på den statiske stabiliteten til den umettede atmosfæren. Under normale, stabilt lagdelte forhold øker den potensielle temperaturen med høyden,

${\ displaystyle {\ frac {\ partiell \ theta} {\ delvis z}}> 0}$

og vertikale bevegelser undertrykkes. Hvis den potensielle temperaturen synker med høyden,

${\ displaystyle {\ frac {\ partiell \ theta} {\ delvis z}} <0}$

atmosfæren er ustabil for vertikale bevegelser, og konveksjon er sannsynlig. Siden konveksjon virker for å blande atmosfæren raskt og gå tilbake til en stabilt lagdelt tilstand, er observasjoner av synkende potensiell temperatur med høyde uvanlige, bortsett fra mens kraftig konveksjon pågår eller i perioder med sterk isolasjon . Situasjoner der den tilsvarende potensielle temperaturen synker med høyden, noe som indikerer ustabilitet i mettet luft, er mye mer vanlig.

Siden potensiell temperatur bevares under adiabatiske eller isentropiske luftbevegelser, fungerer i jevne, adiabatiske strømningslinjer eller overflater med konstant potensiell temperatur som henholdsvis strømlinjer eller strømningsflater. Dette faktum brukes i isentropisk analyse , en form for synoptisk analyse som tillater visualisering av luftbevegelser og spesielt analyse av storskala vertikal bevegelse.

Potensielle temperaturforstyrrelser

Det atmosfæriske grenselaget (ABL) potensiell temperaturforstyrrelse er definert som forskjellen mellom den potensielle temperaturen til ABL og den potensielle temperaturen til den frie atmosfæren over ABL. Denne verdien kalles det potensielle temperaturunderskuddet ved katabatisk strømning, fordi overflaten alltid vil være kaldere enn den frie atmosfæren og PT -forstyrrelsen vil være negativ.

Avledning

Den entalpi form av den første loven om termodynamikk kan skrives som:

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

hvor betegner entalpiendringen , temperaturen, endringen i entropi , det spesifikke volumet og trykket. ${\ displaystyle dh}$${\ displaystyle T}$${\ displaystyle ds}$${\ displaystyle v}$${\ displaystyle p}$

For adiabatiske prosesser er endringen i entropi 0 og den første loven forenkler til:

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

For ca ideelle gasser, slik som tørr luft i jordas atmosfære, tilstandsligningen , kan erstattes i første loven gir, etter noen omorganisering: ${\ displaystyle pv = RT}$

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

hvor det ble brukt og begge begrepene ble delt med produktet${\ displaystyle dh = c_ {p} dT}$${\ displaystyle pv}$

Integrering av utbytte:

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

og ved å løse temperaturen en pakke ville oppnå hvis den flyttes adiabatisk til trykknivået , får du: ${\ displaystyle T_ {0}}$${\ displaystyle p_ {0}}$

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

Potensiell virtuell temperatur

Den potensielle virtuelle temperaturen , definert av ${\ displaystyle \ theta _ {v}}$

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

er den teoretiske potensialtemperaturen til den tørre luften som ville ha samme tetthet som den fuktige luften ved et standard trykk P ₀ . Det brukes som en praktisk erstatning for tetthet i oppdriftsberegninger. I denne definisjonen er den potensielle temperaturen, er blandingsforholdet mellom vanndamp og blandingsforholdet mellom flytende vann i luften. ${\ displaystyle \ theta}$${\ displaystyle r}$${\ displaystyle r_ {L}}$

Relaterte mengder

Den Brunt-Väisälä frekvens er en nært beslektet mengde som benytter potensiell temperatur og brukes i stor utstrekning i undersøkelser av atmosfærisk stabilitet.

Se også

• Potensialtemperatur for våtpære
• Atmosfærisk termodynamikk
• Konservativ temperatur
• Ekvivalent potensialtemperatur

Referanser

Bibliografi

• MK Yau og RR Rogers, Short Course in Cloud Physics, Third Edition , utgitt av Butterworth-Heinemann, 1. januar 1989, 304 sider. ISBN  9780750632157 ISBN  0-7506-3215-1

Eksterne linker

• Eric Weissteins fysikkverden ved Wolfram Research