دمای بالقوه

دمای بالقوه[۱] یا دمای پتانسیل (انگلیسی: Potential temperature) یک بستهٔ سیال در فشار معین ، دمایی است که آن بسته در صورت انتقال بی‌دررو (آدیاباتیک) به یک فشار مرجع استاندارد ، معمولاً ۱۰۰۰ هکتوپاسکال (۱۰۰۰ میلی‌بار)، به‌دست می‌آورد. دمای بالقوه با نماد نشان داده می‌شود و برای گازی که به‌خوبی با گاز ایده‌آل تقریب زده می‌شود، از رابطه‌ای به‌دست می‌آید که در آن دمای مطلق کنونی بسته (بر حسب کلوین)، ثابت گاز ویژه هوا، و ظرفیت گرمایی ویژه در فشار ثابت است.

در هواشناسی، نقطهٔ مرجع دمای بالقوه در اقیانوس معمولاً سطح اقیانوس است که فشار آبی برابر با صفر دسی‌بار دارد.[۲] دمای بالقوه در اقیانوس، ظرفیت‌های گرمایی متغیر آب دریا را در نظر نمی‌گیرد و از این‌رو سنجه‌ای پایسته از محتوای گرمایی نیست.[۲] نمایش گرافیکی دمای بالقوه همواره در نمودار دما بر حسب عمق، کمتر از خط دمای واقعی خواهد بود.[۲]

کاربرد در جوّ و اقیانوس

مفهوم دمای بالقوه برای هر سیال لایه‌بندی‌شده‌ای کاربرد دارد. این مفهوم بیشترین کاربرد را در علوم جوی و اقیانوس‌شناسی دارد.[۳] دلیل کاربرد این مفهوم در هر دو حوزه این است که تغییرات فشار می‌تواند به قرار گرفتن سیال گرم‌تر زیر سیال سردتر بینجامد؛ نمونه‌هایی از این وضعیت عبارت‌اند از کاهش دمای هوا با افزایش ارتفاع، و افزایش دمای آب با عمق در گودال‌های بسیار عمیق اقیانوسی و در لایهٔ آمیخته اقیانوس. هنگامی که به‌جای آن از دمای بالقوه استفاده شود، این شرایط ظاهراً ناپایدار از میان می‌روند، زیرا یک بستهٔ سیال در طول خطوط هم‌ارزش خود بدون تغییر باقی می‌ماند. در اقیانوس‌ها، دمای بالقوه ارجاع‌شده به سطح، اندکی کمتر از دمای درجا (دمایی که یک حجم آب در عمق خاصی که ابزار در آن اندازه‌گیری کرده دارد) خواهد بود، زیرا انبساط ناشی از کاهش فشار به سرد شدن می‌انجامد.[۲] تفاوت عددی میان دمای درجا و دمای بالقوه تقریباً همیشه کمتر از ۱٫۵ درجهٔ سلسیوس است. با این حال، هنگام مقایسهٔ دمای آب از عمق‌های بسیار متفاوت، استفاده از دمای بالقوه اهمیت دارد.[۲]

اهمیت پویایی

دمای بالقوه و پایداری هیدرواستاتیک

دمای بالقوه کمیتی با اهمیت پویایی بیشتر نسبت به دمای واقعی است. علت این امر آن است که دمای بالقوه تحت تأثیر بالاروی یا فروروی فیزیکی ناشی از عبور جریان از روی موانع یا آشفتگی بزرگ‌مقیاس جوی قرار نمی‌گیرد. بستهٔ هوایی که از روی یک کوه کوچک عبور می‌کند، هنگام بالا رفتن از شیب منبسط و سرد می‌شود، و سپس هنگام پایین آمدن در سوی دیگر متراکم و گرم می‌شود؛ اما دمای بالقوه در نبود گرمایش، سرمایش، تبخیر یا میعان (فرایندهایی که این اثرها را در بر نمی‌گیرند، بی‌دررو خشک نامیده می‌شوند) تغییر نمی‌کند. از آنجا که بسته‌هایی با دمای بالقوه یکسان می‌توانند بدون نیاز به کار یا گرمایش جابه‌جا شوند، خطوط دمای بالقوه ثابت، مسیرهای طبیعی جریان هستند.

در تقریباً همهٔ شرایط، دمای بالقوه در جو با ارتفاع افزایش می‌یابد، برخلاف دمای واقعی که ممکن است افزایش یا کاهش یابد. دمای بالقوه در همهٔ فرایندهای بی‌دررو خشک پایسته است و از این‌رو کمیتی مهم در لایهٔ مرزی سیاره‌ای به‌شمار می‌رود (که اغلب بسیار نزدیک به بی‌دررو خشک است).

پایداری

دمای بالقوه سنجهٔ سودمندی برای پایداری ایستای جو اشباع‌نشده است. در شرایط عادی و با لایه‌بندی پایدار، دمای بالقوه با ارتفاع افزایش می‌یابد،[۴] و حرکات قائم سرکوب می‌شوند. اگر دمای بالقوه با ارتفاع کاهش یابد،[۴] جو نسبت به حرکات قائم ناپایدار است و همرفت جوی محتمل خواهد بود. از آنجا که همرفت به‌سرعت جو را مخلوط کرده و به حالت لایه‌بندی پایدار بازمی‌گرداند، مشاهدهٔ کاهش دمای بالقوه با ارتفاع نامتداول است، مگر در زمان وقوع همرفت شدید یا در دوره‌های برتابش خورشیدی قوی. شرایطی که در آن‌ها دمای بالقوهٔ هم‌ارز با ارتفاع کاهش می‌یابد و بیانگر ناپایداری در هوای اشباع‌شده است، بسیار متداول‌تر است.

از آنجا که دمای بالقوه تحت حرکات هوای بی‌دررو یا هم‌آنتروپی پایسته می‌ماند، در جریان بی‌دررو پایا، خطوط یا سطوح دمای بالقوه ثابت به‌ترتیب همچون خطوط جریان یا سطوح جریان عمل می‌کنند. از این واقعیت در تحلیل هم‌آنتروپی استفاده می‌شود، شکلی از تحلیل هم‌دیدی که امکان تجسم حرکات هوا و به‌ویژه تحلیل حرکت قائم بزرگ‌مقیاس را فراهم می‌کند.[۴]

اختلال دمای بالقوه لایهٔ مرزی

اختلال دمای بالقوه لایهٔ مرزی جوی (ABL) به‌صورت تفاوت میان دمای بالقوه لایهٔ مرزی جوی و دمای بالقوه جو آزاد بالای آن تعریف می‌شود. در مورد جریان باد پایین‌رو، به این مقدار کسری دمای بالقوه گفته می‌شود، زیرا سطح همواره سردتر از جو آزاد خواهد بود و در نتیجه اختلال دمای بالقوه منفی خواهد بود.

اشتقاق ترمودینامیکی

دمای بالقوه را می‌توان از صورت آنتالپی قانون نخست ترمودینامیک اشتقاق کرد. برای فرایندهای بی‌دررو، تغییر آنتروپی برابر با صفر است. برای گازهای تقریباً ایده‌آل، مانند هوای خشک در جو زمین، با جایگذاری معادلهٔ حالت در قانون نخست و انتگرال‌گیری از رابطهٔ به‌دست‌آمده، فرمول نهایی دمای بالقوه حاصل می‌شود که دمایی است که یک بسته در صورت انتقال بی‌دررو به سطح فشار مرجع به‌دست می‌آورد.

دمای بالقوهٔ مجازی

دمای بالقوهٔ مجازی،[۵] دمای بالقوه نظری هوای خشکی است که در فشار استاندارد، چگالی برابر با هوای مرطوب داشته باشد. از این کمیت به‌عنوان جایگزینی کاربردی برای چگالی در محاسبات شناوری استفاده می‌شود. در تعریف آن، دمای بالقوه، نسبت آمیختگی بخار آب، و نسبت آمیختگی آب مایع در هواست.

کمیت‌های مرتبط

بسامد برانت–ویسالا کمیتی نزدیک به دمای بالقوه است که از آن استفاده می‌کند و به‌طور گسترده در بررسی‌های پایداری جو به‌کار می‌رود.

منابع

  1. ↑ «دمای بالقوه» [علوم جَوّ] هم‌ارزِ «potential temperature»؛ منبع: گروه واژه‌گزینی. دفتر سیزدهم. فرهنگ واژه‌های مصوب فرهنگستان. تهران: انتشارات فرهنگستان زبان و ادب فارسی (ذیل سرواژهٔ دمای بالقوه){{cite book}}: نگهداری یادکرد:پی‌نوشت (رده)
  2. 1 2 3 4 5 Talley، Lynne D. (۲۰۱۱). Descriptive Physical Oceanography (ویراست ششم). بوستون: Elsevier. صص. ۲۹–۶۵. شابک ۹۷۸۰۷۵۰۶۴۵۵۲۲.{{cite book}}: نگهداری یادکرد:تاریخ به‌طور خودکار ترجمه‌شده (رده)
  3. ↑ Stewart, Robert H. (September 2008). "6.5: Density, potential temperature, and neutral density" (PDF). Introduction to Physical Oceanography. Academia. pp. 83–88. Retrieved 8 March 2017.{{cite book}}: نگهداری یادکرد:وضعیت پیوند (رده)
  4. 1 2 3 Moore، James T. (اوت ۵, ۱۹۹۹). «Isentropic Analysis Techniques: Basic Concepts» (PDF). گروه علوم زمین و جوی، دانشگاه سنت لوئیس: COMET COMAP. دریافت‌شده در مارس ۸, ۲۰۱۷.{{cite web}}: نگهداری یادکرد:تاریخ به‌طور خودکار ترجمه‌شده (رده)
  5. ↑ «دمای بالقوهٔ مجازی» [علوم جَوّ] هم‌ارزِ «virtual potential temperature»؛ منبع: گروه واژه‌گزینی. دفتر سیزدهم. فرهنگ واژه‌های مصوب فرهنگستان. تهران: انتشارات فرهنگستان زبان و ادب فارسی (ذیل سرواژهٔ دمای بالقوهٔ مجازی){{cite book}}: نگهداری یادکرد:پی‌نوشت (رده)

برای مطالعه بیشتر

  • Yau، M K؛ Rogers، R. R. (ژانویه ۱, ۱۹۸۹). Short Course in Cloud Physics (ویراست سوم). Butterworth-Heinemann. ص. ۳۰۴. شابک ۹۷۸۰۷۵۰۶۳۲۱۵۷.{{cite book}}: نگهداری یادکرد:تاریخ به‌طور خودکار ترجمه‌شده (رده)
  • Eric Weisstein's World of Physics — Potential Temperature
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.