دمای بالقوه هم‌ارز

در علوم جوی و هواشناسی، دمای بالقوهٔ هم‌ارز یا دمای پتانسیل هم‌ارز (انگلیسی: Equivalent potential temperature) که معمولاً با نماد $\theta _{e}$ یا $\theta _{\text{equiv}}$ نشان داده می‌شود، دمای پتانسیل یک بسته هوا است به شرطی که تمام بخار آب موجود در آن طی فرایندی بی‌دررو (آدیاباتیک) متراکم و از بسته خارج شده و سپس آن بسته هوا به فشار مرجع استاندارد (معمولاً ۱۰۰۰ هکتوپاسکال یا میلی‌بار) آورده شود.

دمای بالقوه هم‌ارز همواره بزرگ‌تر یا مساوی با دمای پتانسیل ($\theta$) بسته هوا است؛ زیرا با میعان بخار آب، گرمای نهان آزاد شده و دمای بسته هوا را افزایش می‌دهد. این کمیت یکی از متغیرهای پایستار بسیار مهم در ترمودینامیک جوی است، چرا که در هر دو فرایند بی‌درروی خشک و بی‌درروی اشباع (مرطوب) مقداری ثابت باقی می‌ماند.

فرمول و محاسبه

برای محاسبه دقیق دمای بالقوه هم‌ارز، فرمول‌های تجربی و تحلیلی گوناگونی ارائه شده است. یکی از پرکاربردترین فرمول‌های تقریبی در هواشناسی، معادله ارائه‌شده توسط دیوید بولتون (David Bolton) در سال ۱۹۸۰ است:

$\theta _{e}=\theta \exp \left(\left({\frac {3036}{T_{L}}}-1.78\right)\cdot r\cdot (1+0.448r)\right)$

یک فرمول ساده‌تر و متداول‌تر به صورت زیر بیان می‌شود:

$\theta _{e}\approx \theta \exp \left({\frac {L_{v}r}{c_{p}T_{L}}}\right)$

که در آن:

• $\theta$ دمای پتانسیل هوای خشک بر حسب کلوین است: $\theta =T\left({\frac {p_{0}}{p}}\right)^{R_{d}/c_{p}}$
• $T_{L}$ دما در تراز میعان بالابری (LCL) بر حسب کلوین
• $L_{v}$ گرمای نهان تبخیر ($2.5\times 10^{6}{\text{ J/kg}}$)
• $c_{p}$ ظرفیت گرمایی ویژه هوا در فشار ثابت ($1004{\text{ J/(kg}}\cdot {\text{K)}}$)
• $r$ نسبت آمیختگی بخار آب (بر حسب کیلوگرم بر کیلوگرم)

کاربرد در ناپایداری جوی

مسیرهای برگشت توده‌های هوا بین ۳۱ دسامبر ۱۹۹۷ و ژانویه ۱۹۹۸ که باعث طوفان یخ ژانویه ۱۹۹۸ آمریکای شمالی شد.

دمای بالقوه هم‌ارز یک ابزار کلیدی برای ارزیابی پایداری جوی و ناپایداری پتانسیل (همرفتی) در یک لایه از جو است:

• ناپایداری همرفتی: اگر دمای بالقوه هم‌ارز با افزایش ارتفاع کاهش یابد (${\frac {\partial \theta _{e}}{\partial z}}<0$)، لایه جو دارای ناپایداری پتانسیل (همرفتی) است. در این حالت، اگر کل لایه به اندازه کافی به سمت بالا رانده شود، ناپایدار شده و می‌تواند منجر به تشکیل طوفان‌های تندری شدید و ابرهای کومولونیمبوس شود.
• پایداری خنثی: اگر با افزایش ارتفاع $\theta _{e}$ ثابت بماند (${\frac {\partial \theta _{e}}{\partial z}}=0$).
• پایداری همرفتی: اگر با افزایش ارتفاع $\theta _{e}$ افزایش یابد (${\frac {\partial \theta _{e}}{\partial z}}>0$)، لایه جو پایدار است و مانع از حرکت‌های عمودی هوا می‌شود.

اهمیت در تحلیل توده‌های هوا

از آن‌جا که دمای بالقوه هم‌ارز ترکیبی از اثر دما و رطوبت است و در اثر سرد شدن یا گرم شدن ناشی از صعود و فرود بی‌دررو تغییر نمی‌کند، به عنوان یک مشخصه پایدار برای ردیابی منشأ توده هوا، تحلیل جبهه هوا و ساختار توفندها و چرخندهای حاره‌ای استفاده می‌شود. در هسته مرکزی توفندها مقادیر بسیار بالایی از $\theta _{e}$ به دلیل گرما و رطوبت بسیار زیاد سطح اقیانوس مشاهده می‌شود.

جستارهای وابسته

• هواشناسی
• دمای بالقوه
• پیش‌بینی وضع هوا