دمای مجازی

در ترمودینامیک جوی، دمای مجازی[۱] (انگلیسی: Virtual temperature) که با () نشان داده می‌شود، دمای مجازی یک بسته هوای مرطوب، دمایی است که در آن یک بسته هوای خشک فرضی، فشار کل و چگالی برابر با بسته هوای مرطوب داشته باشد.[۲] دمای مجازی هوای مرطوب اشباع‌نشده همواره از دمای واقعی هوا بیشتر است؛ با این حال، وجود قطرات ابر معلق، دمای مجازی را کاهش می‌دهد.

اثر دمای مجازی با نام «اثر شناوری بخار آب» نیز شناخته می‌شود.[۳] گفته شده که این اثر با گرم کردن جو حاره‌ای، گسیل گرمایی زمین را افزایش می‌دهد.[۴][۵]

زمینه و کاربرد

در فرایندهای ترمودینامیکی جوّی، معمولاً فرض می‌شود که بسته‌های هوا تقریباً به‌صورت بی‌دررو و تقریباً مطابق قانون گاز آرمانی رفتار می‌کنند. ثابت گاز ویژه برای جرم استاندارد یک کیلوگرم از یک گاز خاص، متغیر است و به جرم مولی ظاهری آن گاز وابسته است. جرم مولی ظاهری یک بسته فرضی مرطوب در اتمسفر زمین را می‌توان بر حسب اجزای بخار آب و هوای خشک تعریف کرد، که با استفاده از قانون فشارهای جزئی دالتون به فشار کل مربوط می‌شود.

به‌جای انجام این محاسبات به‌طور مستقیم، مقیاس‌بندی یک کمیت دیگر در قانون گاز آرمانی برای برابر کردن فشار و چگالی یک بسته خشک با یک بسته مرطوب مفید است. تنها کمیت متغیر در قانون گاز آرمانی که مستقل از چگالی و فشار است، دما است. این کمیت مقیاس‌شده «دمای مجازی» نام دارد و امکان استفاده از معادله حالت هوای خشک برای هوای مرطوب را فراهم می‌کند. از آنجا که دما با چگالی رابطه عکس دارد، فشار بخار بالاتر به چگالی کمتر و در نتیجه دمای مجازی بالاتر منجر می‌شود.[۶]

با در نظر گرفتن یک بسته هوای مرطوب حاوی جرم‌های هوای خشک و بخار آب در یک حجم معین، و با استفاده از معادله حالت گاز ایده‌آل برای هر یک از این اجزا همراه با قانون فشارهای جزئی، می‌توان دمای مجازی را بر حسب دمای واقعی هوا، فشار بخار آب، فشار کل هوا و نسبت جرم مولی بخار آب به هوای خشک (که در جو زمین تقریباً برابر با ۰٫۶۲۲ است) بیان کرد. حاصل این کار، یک کمیت غیرخطی و بدون واحد برای دما است که وابسته به مقدار بخار آب موجود در بسته هوا تغییر می‌کند و این دمای مجازی، برحسب کلوین، می‌تواند در هر معادله ترمودینامیکی که به آن نیاز دارد به‌کار رود.[۷]

اغلب پارامتر جوی در دسترس‌تر، نسبت ترکیب است. با بسط تعریف فشار بخار در قانون فشارهای جزئی و تعریف نسبت اختلاط، و با صرف‌نظر از مرتبه‌های بالاتر نسبت ترکیب (به دلیل کوچک بودن مقدار آن در جو زمین) و جایگزینی نسبت جرم مولی با مقدار ثابتش، یک تقریب خطی برای دمای مجازی برحسب نسبت ترکیب (بر حسب گرم بر گرم) به دست می‌آید. همچنین یک تبدیل تقریبی با استفاده از دما بر حسب درجه سلسیوس و نسبت ترکیب بر حسب گرم بر کیلوگرم وجود دارد. با دانستن اینکه رطوبت ویژه بر حسب نسبت ترکیب بیان می‌شود، می‌توان نسبت ترکیب را بر حسب رطوبت ویژه نوشت و در نتیجه دمای مجازی را نیز برحسب رطوبت ویژه بیان کرد.

دمای پتانسیل مجازی

دمای پتانسیل مجازی مشابه دمای پتانسیل است، با این تفاوت که تغییرات دمایی ناشی از تغییرات فشار را نیز حذف می‌کند. دمای پتانسیل مجازی به‌عنوان جایگزینی برای چگالی در محاسبات شناوری و در انتقال آشفتگی (که شامل حرکت عمودی هوا می‌شود) کاربرد دارد.

دمای چگالی

یک بسته هوای مرطوب ممکن است علاوه بر بخار آب، حاوی قطرات مایع و بلورهای یخ نیز باشد. در این حالت می‌توان یک نسبت ترکیب خالص را به‌صورت مجموع نسبت‌های اختلاط بخار آب، آب مایع و یخ موجود در بسته تعریف کرد. با فرض اینکه ننسبت ترکیب آب مایع و یخ معمولاً بسیار کوچک‌تر از نسبت ترکیب بخار آب هستند، می‌توان «دمای چگالی» یک بسته را تعریف کرد که نشان‌دهنده دمایی است که در آن یک بسته هوای خشک فرضی، فشار و چگالی برابر با یک بسته هوای مرطوب داشته باشد، در حالی که وجود چگالنده‌ها (میعانات) نیز در نظر گرفته شده است.[۸]

کاربردها

دمای مجازی برای اصلاح نمودارهای صعودی (گمانه‌زنی جوّی) انرژی پتانسیل قابل دسترس همرفتی (CAPE) که برای برآورد انرژی پتانسیل همرفتی در دسترس از روی نمودارهای اریب-تی لگاریتم-پی به‌کار می‌رود، استفاده می‌شود. خطاهای ناشی از نادیده گرفتن اصلاح دمای مجازی برای مقادیر کوچک‌تر CAPE می‌تواند بسیار قابل توجه باشد.[۹] از این رو، در مراحل اولیه شکل‌گیری توفان‌های همرفتی، اصلاح دمای مجازی در شناسایی شدت بالقوه در چرخندزایی حاره‌ای اهمیت دارد.[۱۰]

منابع

  1. ↑ «دمای مَجازی» [علوم جَوّ] هم‌ارزِ «virtual temperature»؛ منبع: گروه واژه‌گزینی. دفتر دوم. فرهنگ واژه‌های مصوب فرهنگستان. تهران: انتشارات فرهنگستان زبان و ادب فارسی. شابک ۹۶۴-۷۵۳۱-۳۷-۰ (ذیل سرواژهٔ دمای مَجازی){{cite book}}: نگهداری یادکرد:پی‌نوشت (رده)
  2. ↑ Bailey, Desmond T. (February 2000) [June 1987]. "Upper-air Monitoring" (PDF). Meteorological Monitoring Guidance for Regulatory Modeling Applications. John Irwin. Research Triangle Park, NC: آژانس حفاظت محیط زیست ایالات متحده آمریکا. pp. 9–14. EPA-454/R-99-005.
  3. ↑ "Cold air rises—what that means for Earth's climate". phys.org (in English). Retrieved 2020-07-10.
  4. ↑ Yang, Da; Seidel, Seth D. (2020-04-01). "The Incredible Lightness of Water Vapor". Journal of Climate (in English). 33 (7): 2841–2851. Bibcode:2020JCli...33.2841Y. doi:10.1175/JCLI-D-19-0260.1. ISSN 0894-8755.
  5. ↑ Seidel, Seth D.; Yang, Da (2020-05-01). "The lightness of water vapor helps to stabilize tropical climate". Science Advances (in English). 6 (19) eaba1951. Bibcode:2020SciA....6.1951S. doi:10.1126/sciadv.aba1951. ISSN 2375-2548. PMC 7202867. PMID 32494724.
  6. ↑ "AMS Glossary". American Meteorological Society. Retrieved 2014-06-30.
  7. ↑ U.S. Air Force (1990). The Use of the Skew-T Log p Diagram in Analysis and Forecasting. نیروی هوایی ایالات متحده آمریکا. pp. 4–9. AWS-TR79/006.
  8. ↑ Emanuel, Kerry A. (1994). "Moist Thermodynamic Processes". Atmospheric Convection. Oxford University Press. ISBN 0-19-506630-8. Retrieved 18 October 2023 – via Google Books.
  9. ↑ Doswell, Charles A.; Rasmussen, Erik N. (1994). "The Effect of Neglecting the Virtual Temperature Correction on CAPE Calculations". Weather and Forecasting. 9 (4): 625–629. Bibcode:1994WtFor...9..625D. doi:10.1175/1520-0434(1994)009<0625:TEONTV>2.0.CO;2.
  10. ↑ Camargo, Suzana J.; Sobel, Adam H.; Barnston, Anthony G.; Emanuel, Kerry A. (2007). "Tropical cyclone genesis potential index in climate models". Tellus A. 59 (4): 428–443. Bibcode:2007TellA..59..428C. doi:10.1111/j.1600-0870.2007.00238.x.

برای مطالعه بیشتر

  • Wallace, John M.; Hobbs, Peter V. (2006). Atmospheric Science. ISBN 0-12-732951-X.
This page is issued from ویکی‌پدیا. The text is available under Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0 unless otherwise noted. Additional terms may apply for the media files.