Potenciální teplota - Potential temperature

The potenciální teplota a balíček tekutiny pod tlakem ${ displaystyle P}$ je teplota, které by balík dosáhl, kdyby adiabaticky na standardní referenční tlak ${ displaystyle P_ {0}}$, obvykle 1 000 hPa (1 000 mb). Udává se potenciální teplota ${ displaystyle theta}$ a pro plyn dobře aproximovaný jako ideál, darováno

${ displaystyle theta = T vlevo ({ frac {P_ {0}} {P}} vpravo) ^ {R / c_ {p}},}$

kde ${ displaystyle T}$ je aktuální absolutní hodnota teplota (v K) balíku, ${ displaystyle R}$ je plynová konstanta vzduchu a ${ displaystyle c_ {p}}$ je měrné teplo kapacita při konstantním tlaku.${ displaystyle R / c_ {p} = 0,286}$ pro vzduch (meteorologie).

Kontexty

Koncept potenciální teploty platí pro jakoukoli stratifikovanou tekutinu. Nejčastěji se používá v atmosférické vědy a oceánografie.^[1] Důvod, proč se používá v obou tekutinách, spočívá v tom, že změny tlaku mohou vést k tomu, že teplejší tekutina pobývá pod chladnější tekutinou - například pokles teploty vzduchu s nadmořskou výškou a zvýšení teploty vody s hloubkou ve velmi hlubokých oceánských příkopech a v oceánu smíšená vrstva. Když se místo toho použije potenciální teplota, tyto zjevně nestabilní podmínky zmizí, protože část kapaliny je podél jejích izolinů neměnná.

Komentáře

Potenciální teplota je dynamicky důležitější veličina než skutečná teplota. Je to proto, že to není ovlivněno fyzickým zvedáním nebo klesáním spojeným s prouděním přes překážky nebo velkými atmosférickými turbulencemi. Balíček vzduchu pohybující se přes malou horu se bude rozšiřovat a ochlazovat, jak stoupá po svahu, pak se stlačuje a zahřívá, jak klesá na druhé straně - ale potenciální teplota se nezmění při absenci topení, chlazení, odpařování nebo kondenzace (procesy, které tyto účinky vylučují, se označují jako suché adiabatické). Vzhledem k tomu, že pozemky se stejnou potenciální teplotou lze vyměňovat bez nutnosti práce nebo vytápění, jsou linie konstantní potenciální teploty přirozenými cestami proudění.

Za téměř všech okolností se potenciální teplota v atmosféře zvyšuje, na rozdíl od skutečné teploty, která se může zvyšovat nebo snižovat. Potenciální teplota je zachována pro všechny suché adiabatické procesy, a jako taková je důležitým množstvím v planetární mezní vrstva (což je často velmi blízké suchému adiabatiku).

Potenciální teplota a hydrostatická stabilita

Potenciální teplota je užitečným měřítkem statické stability nenasycené atmosféry. Za normálních, stabilně stratifikovaných podmínek se potenciální teplota zvyšuje s výškou,^[2]

${ displaystyle { frac { částečné theta} { částečné z}}> 0}$

a vertikální pohyby jsou potlačeny. Pokud potenciální teplota klesá s výškou,^[2]

${ displaystyle { frac { částečné theta} { částečné z}} <0}$

atmosféra je nestabilní vůči svislým pohybům a proudění je pravděpodobné. Vzhledem k tomu, že konvekce působí na rychlé promíchání atmosféry a návrat do stabilně stratifikovaného stavu, pozorování snižování potenciální teploty s výškou jsou neobvyklá, kromě případů, kdy probíhá intenzivní konvekce nebo během období silných sluneční záření. Situace, ve kterých ekvivalentní potenciální teplota poklesy s výškou, což naznačuje nestabilitu v nasyceném vzduchu, jsou mnohem častější.

Protože potenciální teplota je udržována za adiabatického nebo isentropic pohyby vzduchu, v ustálených, adiabatických prouděních nebo na plochách s konstantní potenciální teplotou působí jako zefektivňuje nebo průtokové plochy. Tato skutečnost se používá v isentropická analýza, forma synoptické analýzy, která umožňuje vizualizaci pohybů vzduchu a zejména analýzu velkého vertikálního pohybu.^[2]

Potenciální teplotní poruchy

The atmosférická mezní vrstva (ABL) potenciální teplotní odchylka je definována jako rozdíl mezi potenciální teplotou ABL a potenciální teplotou volné atmosféry nad ABL. Tato hodnota se nazývá potenciální teplotní deficit v případě a katabatic proudění, protože povrch bude vždy chladnější než volná atmosféra a odchylka PT bude negativní.

Derivace

The entalpie forma prvního zákona z termodynamika lze napsat jako:

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

kde ${ displaystyle dh}$ označuje entalpie změna, ${ displaystyle T}$ teplota, ${ displaystyle ds}$ změna v entropie, ${ displaystyle v}$ konkrétní objem a ${ displaystyle p}$ tlak.

U adiabatických procesů je změna entropie 0 a první zákon zjednodušuje:

${ displaystyle dh = v , dp.}$

Pro přibližně ideální plyny, jako je suchý vzduch v zemské atmosféře, stavová rovnice, ${ displaystyle pv = RT}$ může být po 1. přeskupení nahrazen do 1. zákonného pole:

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

Kde ${ displaystyle dh = c_ {p} dT}$ byl použit a oba výrazy byly rozděleny podle produktu ${ displaystyle pv}$

Integrace výnosy:

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

a řešení pro ${ displaystyle T_ {0}}$, teplota, kterou by balík získal, pokud by se adiabaticky přesunul na úroveň tlaku ${ displaystyle p_ {0}}$, dostaneš:

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

Potenciální virtuální teplota

Potenciál virtuální teplota ${ displaystyle theta _ {v}}$, definován

${ displaystyle theta _ {v} = theta vlevo (1 + 0,61r-r_ {L} vpravo),}$

je teoretická potenciální teplota suchého vzduchu, která by při standardním tlaku P měla stejnou hustotu jako vlhký vzduch₀. Používá se jako praktická náhrada hustoty při výpočtech vztlaku. V této definici ${ displaystyle theta}$ je potenciální teplota, ${ displaystyle r}$ je směšovací poměr vodní páry a ${ displaystyle r_ {L}}$ je směšovací poměr kapalné vody ve vzduchu.

Související množství

The Frekvence Brunt – Väisälä je úzce související veličina, která využívá potenciální teplotu a používá se značně při zkoumání atmosférické stability.

Viz také

• Teplota potenciálu vlhkého teploměru
• Atmosférická termodynamika
• Konzervativní teplota
• Ekvivalentní potenciální teplota

Reference

Bibliografie

• M K Yau a R.R. Rogers, Krátký kurz cloudové fyziky, třetí vydání, publikováno Butterworth-Heinemann, 1. ledna 1989, 304 stran. ISBN  9780750632157 ISBN  0-7506-3215-1

externí odkazy

• Svět fyziky Erica Weissteina ve společnosti Wolfram Research