درجة الحرارة المحتملة

درجة الحرارة الكامنة لحزمة من السائل عند الضغط${\displaystyle P}$هي درجة الحرارة التي ستصل إليها الطرد إذا تم نقله بشكل أديباتي إلى ضغط مرجعي قياسي${\displaystyle P_{0}}$، عادةً 1000 هكتوباسكال (1000 مليبار) . ويُشار إلى درجة الحرارة الكامنة بـ  ${\displaystyle \theta }$وبالنسبة للغاز الذي يُقارب كونه مثاليًا ، يُعطى بالعلاقة التالية:

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

أين${\displaystyle T}$هي درجة الحرارة المطلقة الحالية (بالكلفن) للكتلة الأرضية،${\displaystyle R}$هو ثابت الغاز النوعي للهواء، و${\displaystyle c_{p}}$هي السعة الحرارية النوعية عند ضغط ثابت. ${\displaystyle R/c_{p}=0.286}$في مجال الأرصاد الجوية، تُعتبر درجة الحرارة الكامنة في المحيط عادةً عند سطحه، حيث يبلغ ضغط الماء صفر ديسي بار. ^{[ 1 ]} لا تأخذ درجة الحرارة الكامنة في المحيط في الحسبان اختلاف السعات الحرارية لمياه البحر، لذا فهي ليست مقياسًا دقيقًا للمحتوى الحراري. ^{[ 1 ]} سيكون التمثيل البياني لدرجة الحرارة الكامنة دائمًا أقل من خط درجة الحرارة الفعلية في الرسم البياني لدرجة الحرارة مقابل العمق. ^{[ 1 ]}

ينطبق مفهوم درجة الحرارة الكامنة على أي سائل طبقي. ويُستخدم بكثرة في علوم الغلاف الجوي وعلم المحيطات . ^{[ 2 ]} والسبب في استخدامه في كلا المجالين هو أن تغيرات الضغط قد تؤدي إلى وجود سائل أكثر دفئًا أسفل سائل أكثر برودة - ومن الأمثلة على ذلك انخفاض درجة حرارة الهواء وضغطه مع ازدياد الارتفاع، وارتفاع درجة حرارة الماء وضغطه في الأعماق الكبيرة، وفي الخنادق المحيطية العميقة جدًا، وداخل الطبقة المختلطة للمحيط .

عند استخدام درجة الحرارة الكامنة بدلاً من درجة الحرارة المحيطة المقاسة، تختفي الظروف غير المستقرة ظاهرياً، لأن كتلة السائل تكون ثابتة على طول طبقاتها المتساوية.

في المحيطات، تكون درجة الحرارة الكامنة بالنسبة للسطح أقل بقليل من درجة الحرارة الفعلية (درجة حرارة حجم الماء المقاسة بجهاز في الماء على عمق معين)، وذلك لأن التمدد الناتج عن انخفاض الضغط في عينة مأخوذة من الأعماق يؤدي إلى تبريدها. ويكون الفرق العددي بين درجة الحرارة الفعلية ودرجة الحرارة الكامنة أقل من 1.5  درجة مئوية في أغلب الأحيان. ومع ذلك، يظل من المهم استخدام درجة الحرارة الكامنة عند مقارنة درجات حرارة المياه من أعماق مختلفة جدًا. ^{[ 1 ]}

ومن المهم بالمثل مقارنة درجات الحرارة المحتملة لطبقات الهواء على ارتفاعات مختلفة.

تُعدّ درجة الحرارة الكامنة كميةً أكثر أهميةً من الناحية الديناميكية من درجة الحرارة الفعلية. ويعود ذلك إلى أنها لا تتأثر بالرفع أو الهبوط الفيزيائي المصاحب لتدفق الهواء فوق العوائق أو الاضطرابات الجوية واسعة النطاق. فكتلة الهواء التي تتحرك فوق جبل صغير تتمدد وتبرد أثناء صعودها المنحدر، ثم تنضغط وتسخن أثناء هبوطها على الجانب الآخر، لكن درجة الحرارة الكامنة لا تتغير في غياب التسخين أو التبريد أو التبخر أو التكثيف (وتُسمى العمليات التي تستبعد هذه التأثيرات بالعمليات الأديباتية الجافة). وبما أنه يمكن تبادل كتل الهواء ذات درجة الحرارة الكامنة نفسها دون الحاجة إلى شغل أو تسخين، فإن خطوط درجة الحرارة الكامنة الثابتة تُشكّل مسارات تدفق طبيعية.

في معظم الظروف، ترتفع درجة الحرارة الكامنة صعودًا في الغلاف الجوي، على عكس درجة الحرارة الفعلية التي قد ترتفع أو تنخفض. وتُحفظ درجة الحرارة الكامنة في جميع العمليات الأديباتية الجافة، ولذلك فهي كمية مهمة في طبقة الحدود الكوكبية (التي غالبًا ما تكون قريبة جدًا من كونها أديباتية جافة).

تُعد درجة الحرارة الكامنة مقياسًا مفيدًا للاستقرار الساكن للغلاف الجوي غير المشبع. في ظل الظروف الطبيعية والمستقرة، تزداد درجة الحرارة الكامنة مع الارتفاع، ^{[ 3 ]}

${\displaystyle {\frac {\partial \theta }{\partial z}}>0}$

وتُكبح الحركات الرأسية. إذا انخفضت درجة الحرارة الكامنة مع الارتفاع، ^{[ 3 ]}

${\displaystyle {\frac {\partial \theta }{\partial z}}<0}$

الغلاف الجوي غير مستقر تجاه الحركات الرأسية، ومن المرجح حدوث تيارات الحمل الحراري . ولأن هذه التيارات تعمل على خلط الغلاف الجوي بسرعة وإعادته إلى حالة مستقرة طبقية، فإن ملاحظة انخفاض درجة الحرارة الكامنة مع الارتفاع أمر نادر، إلا أثناء حدوث تيارات حمل حراري قوية أو خلال فترات سطوع شمسي عالٍ . أما الحالات التي تنخفض فيها درجة الحرارة الكامنة المكافئة مع الارتفاع، مما يشير إلى عدم استقرار الهواء المشبع، فهي أكثر شيوعًا.

بما أن درجة الحرارة الكامنة محفوظة في حركات الهواء الأديباتية أو متساوية الإنتروبيا ، فإن خطوط التدفق الأديباتية المستقرة أو أسطح درجة الحرارة الكامنة الثابتة تعمل كخطوط انسيابية أو أسطح تدفق، على التوالي. تُستخدم هذه الحقيقة في التحليل متساوي الإنتروبيا ، وهو شكل من أشكال التحليل الشامل الذي يسمح بتصوير حركات الهواء، وخاصة تحليل الحركة الرأسية واسعة النطاق. ^{[ 3 ]}

يُعرَّف اضطراب درجة الحرارة الكامنة في طبقة الحدود الجوية (ABL) بأنه الفرق بين درجة الحرارة الكامنة في طبقة الحدود الجوية ودرجة الحرارة الكامنة للغلاف الجوي الحر فوقها. تُسمى هذه القيمة بنقص درجة الحرارة الكامنة في حالة التدفق الهابط ، لأن السطح سيكون دائمًا أبرد من الغلاف الجوي الحر، وبالتالي سيكون اضطراب درجة الحرارة الكامنة سالبًا.

يمكن كتابة الصيغة الإنثالبي للقانون الأول للديناميكا الحرارية على النحو التالي:

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

أين${\displaystyle dh}$يشير إلى تغير المحتوى الحراري ،${\displaystyle T}$درجة الحرارة،${\displaystyle ds}$التغير في الإنتروبيا ،${\displaystyle v}$الحجم المحدد، و${\displaystyle p}$الضغط.

بالنسبة للعمليات الأديباتية، يكون التغير في الإنتروبيا صفرًا، ويتبسط القانون الأول للديناميكا الحرارية إلى:

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

بالنسبة للغازات المثالية تقريبًا، مثل الهواء الجاف في الغلاف الجوي للأرض، فإن معادلة الحالة ،${\displaystyle pv=RT}$يمكن استبدالها في القانون الأول، مما ينتج عنه، بعد بعض إعادة الترتيب:

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

حيث${\displaystyle dh=c_{p}dT}$تم استخدام ذلك، وتم تقسيم كلا المصطلحين على الناتج${\displaystyle pv}$

ينتج عن التكامل ما يلي :

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

وحل لـ${\displaystyle T_{0}}$، درجة الحرارة التي ستكتسبها طردية إذا تم نقلها بشكل أديباتي إلى مستوى الضغط${\displaystyle p_{0}}$، ستحصل على:

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

درجة الحرارة الافتراضية المحتملة${\displaystyle \theta _{v}}$، كما هو محدد بواسطة

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

هي درجة الحرارة الكامنة النظرية للهواء الجاف الذي له نفس كثافة الهواء الرطب عند ضغط قياسي P₀ _. تُستخدم كبديل عملي للكثافة في حسابات الطفو. في هذا التعريف${\displaystyle \theta }$هي درجة الحرارة الكامنة،${\displaystyle r}$هي نسبة خلط بخار الماء، و${\displaystyle r_{L}}$هي نسبة خلط الماء السائل في الهواء.

يُعد تردد برونت -فايسالا كمية وثيقة الصلة تستخدم درجة الحرارة الكامنة وتستخدم على نطاق واسع في التحقيقات المتعلقة باستقرار الغلاف الجوي.

• درجة حرارة البصيلة الرطبة
• الديناميكا الحرارية للغلاف الجوي
• درجة حرارة متحفظة
• درجة الحرارة الكامنة المكافئة

• إم كيه ياو وآر آر روجرز، دورة مختصرة في فيزياء السحب، الطبعة الثالثة ، نشرتها دار نشر بتروورث-هاينمان، 1 يناير 1989، 304 صفحات. رقم ISBN 9780750632157رقم الكتاب المعياري الدولي (ISBN) 0-7506-3215-1

• عالم الفيزياء لإريك وايسشتاين في وولفرام ريسيرش