Кіріспе

Эквивалентті потенциалдық температура, көбінесе тета е деп аталады, ауа бөлшегінің қысымы өзгерген кезде (яғни атмосферадағы тік қозғалыстар кезінде) сақталып қалатын шама, тіпті су буы осы қысым өзгеруі барысында конденсацияланса да. Сондықтан ол, тек қана қанықпаған тік қозғалыстарда (қысым өзгеруі) тұрақты болатын қарапайым потенциалдық температурадан гөрі жақсы сақталады. Бұл – ауа бөлшегіндегі барлық су буының жасырын жылуын бөліп, конденсациялануы және бұл бөлшек адиабатикалық түрде әдетте 1000 гПа (1000 мбар) стандарттық эталондық қысымға жеткізілгендегі температурасы. Бұл шама теңіз деңгейіндегі атмосфералық қысымға жуық.

Сығымдауға болмайтын сұйықтықтың тұрақтылығы

Таудың үстінде тепе-теңдікте тұрған шар сияқты, тығыздығы аз сұйықтықтың үстінде орналасқан тығыз сұйықтық динамикалық тұрақсыздыққа ие болады: аударылу қозғалыстары (конвекция) ауырлық орталығын төмендетіп, осылайша өздігінен пайда болады, нәтижесінде жылдам тұрақты қабаттану құрылады, ол дерлік әрқашан байқалатын жағдай. Сығылмайтын сұйықтықтың тұрақтылығы үшін тығыздық биіктікпен монотонды түрде төмендеуі керек.

Сығымдалатын ауаның тұрақтылығы: ықтимал температура

Егер сұйықтық ауа сияқты сығымдалатын болса, динамикалық тұрақтылық критерийі оның орнына потенциалдық тығыздықты, белгілі бір эталондық қысымдағы сұйықтық тығыздығын қамтиды. Идеалдық газ үшін (газ заңдарын қараңыз) ауа бағанасының тұрақтылық критерийі – потенциалдық температура биіктікпен монотонды түрде өседі. Мұны түсіну үшін атмосферадағы құрғақ конвекцияны қарастырайық, онда қысымның тік өзгерістері маңызды және температураның адиабатикалық өзгеруі елеулі: ауаның бір бөлігі жоғары қарай жылжығанда, қоршаған ортаның қысымы төмендейді, бұл бөліктің кеңеюіне себеп болады. Бөліктің ішкі энергиясының бір бөлігі атмосфералық қысымға қарсы кеңею үшін қажетті жұмысты атқаруға жұмсалады, сондықтан ол жылу жоғалтпаса да, бөліктің температурасы төмендейді. Керісінше, төмен түсетін бөлік сығымдалады және жылу қосылмаса да, жылынады. Таудың үстіндегі ауа әдетте төменгі аңғардағы ауадан суық болады, бірақ мұндай жағдай тұрақсыз емес: егер аңғардағы ауаның бір бөлігі таудың үстіне көтерілсе, ол жеткенде адиабатикалық салқындаудың нәтижесінде ондағы ауадан да суық болады; ол қоршаған ауадан ауыр болады және бастапқы орнына қайта төмендейді. Сол сияқты, таудан төмен аңғарға түскен суық ауа аңғардағы ауадан жылырақ және жеңілрек болып келеді де, тауға қайта көтеріледі. Сондықтан, температураның биіктікпен төмендеуі адиабатикалық градиенттен кем болған жағдайда, жылы ауаның үстінде жатқан салқын ауа тұрақты болуы мүмкін; динамикалық тұрғыдан маңызды шама температура емес, ал потенциалдық температура – ауа эталондық қысымға адиабатикалық түрде жеткізілгендегі температура. Таудың айналасындағы ауа тұрақты, өйткені таудың үстіндегі ауа төменгі қысымынан төменгі ауаға қарағанда жоғары потенциалдық температураға ие.

Судың конденсациясының әсері: эквивалентті потенциалдық температура

Су буы бар ауаның көтерілетін бөлігі, егер ол жеткілікті биікке көтерілсе, оның көтерілген конденсация деңгейіне жетеді: ол су буымен толып, қаныққан күйге енеді (Клаузиус-Клапейрон қатынасына қараңыз). Егер ауаның бұл бөлігі көтерілуін жалғастырса, су буы конденсацияланып, айналадағы ауаға жасырын жылуды бөліп шығарады, бұл адиабатикалық салқындауды ішінара тежейді. Сондықтан қаныққан ауа құрғақ ауаға қарағанда көтерілгенде аз суытады (оның температурасы биіктікпен бірге ылғалды адиабатикалық градиент бойынша өзгереді, ол құрғақ адиабатикалық градиенттен кіші). Мұндай қаныққан ауа бөлігі жоғары қарай жылдамдап, тіпті температура биіктікпен бірге артса да, қашуға ұшырап, тұрақсыздыққа әкелуі мүмкін. Ауа бағанасының тіпті қаныққан конвекциялық қозғалыстарға қатысты да толығымен тұрақты болуы үшін қажетті шарт – эквиваленттік потенциалдық температураның биіктікпен монотонды түрде өсуі.

Қолданылуы

Бұл ауа массаларын сипаттау үшін синоптикалық масштабта қолданылады. Мысалы, 1998 жылғы Солтүстік Америка мұз даулы туралы зерттеуде профессорлар Гьякум (Макгилл университеті, Монреаль) және Ройбер (Висконсин университеті, Милуоки) ауа массаларының жоғары Арктикадан 300-400 гПа биіктігінде өткен аптада пайда болғанын, тропиктерге қарай жылжығанда жер бетіне төмендегенін, содан кейін Миссисипи аңғары арқылы Сент-Лоуренс аңғарына қарай көтерілгенін көрсетті. Арқа траекториялары тұрақты эквивалентті потенциалдық температураны пайдалану арқылы бағаланды. Мезомасштабта эквивалентті потенциалдық температура да қанықпаған атмосфераның статикалық тұрақтылығын өлшеу үшін пайдалы шара. Қалыпты, тұрақты қабатталған жағдайларда потенциалдық температура биіктікпен артады, ал тік қозғалыс тежеледі. Егер эквивалентті потенциалдық температура биіктікпен төмендесе, атмосфера тік қозғалысқа тұрақсыз болады және конвекция пайда болуы мүмкін. Эквивалентті потенциалдық температураның биіктікпен төмендеуі, қаныққан ауадағы тұрақсыздықты көрсетеді, және мұндай жағдайлар жиі кездеседі.