Введение

Эквивалентная потенциальная температура, обычно обозначаемая как тета e, – это величина, которая сохраняется при изменении давления воздушной массы (то есть при вертикальных движениях в атмосфере), даже если водяной пар конденсируется в процессе этого изменения давления. Следовательно, она сохраняется лучше, чем обычная потенциальная температура, которая остаётся постоянной только при ненасыщенных вертикальных движениях (изменениях давления). Эквивалентная потенциальная температура – это температура, которой достигла бы воздушная масса, если бы весь содержащийся в ней водяной пар сконденсировался, высвободив скрытую теплоту, и эта масса была бы адиабатически приведена к стандартному уровню давления, обычно 1000 гПа (1000 мбар), что приблизительно соответствует атмосферному давлению на уровне моря.

Стабильность несжимаемой жидкости

Как шар, сбалансированный на вершине холма, более плотная жидкость, находящаяся над менее плотной, будет динамически неустойчива: движения опрокидывания (конвекция) могут понизить центр тяжести и, следовательно, будут возникать спонтанно, быстро приводя к стабильной стратификации, которая и наблюдается почти постоянно. Условием стабильности несжимаемой жидкости является монотонное уменьшение плотности с высотой.

Стабильность сжатого воздуха: потенциальная температура

Если жидкость сжимаема, как воздух, критерий динамической стабильности включает в себя потенциальную плотность – плотность жидкости при фиксированном опорном давлении. Для идеального газа (см. газовые законы) критерием стабильности воздушного столба является монотонное увеличение потенциальной температуры с высотой. Чтобы понять это, рассмотрим сухую конвекцию в атмосфере, где вертикальное изменение давления существенно, а адиабатическое изменение температуры играет важную роль: по мере подъема воздушного пакета окружающее давление падает, что приводит к его расширению. Часть внутренней энергии пакета расходуется на совершение работы по расширению против атмосферного давления, поэтому температура пакета понижается, даже если он не теряет тепла. И наоборот, опускающийся пакет сжимается и нагревается, даже если тепло не подводится. Воздух на вершине горы обычно холоднее, чем воздух в долине, но такое состояние не является неустойчивым: если бы воздушный пакет из долины каким-то образом поднялся на вершину горы, то по прибытии он был бы еще холоднее, чем уже существующий там воздух, из-за адиабатического охлаждения; он был бы тяжелее окружающего воздуха и опустился бы обратно в исходное положение. Аналогично, если бы холодный воздушный пакет с вершины горы опустился в долину, он прибыл бы теплее и легче долиного воздуха и поднялся бы обратно на гору. Таким образом, холодный воздух, расположенный над теплым, может быть стабильным, если скорость уменьшения температуры с высотой меньше адиабатического градиента температуры; динамически важной величиной является не температура, а потенциальная температура – температура, которую воздух имел бы, если бы он был адиабатически приведен к опорному давлению. Воздух вокруг горы стабилен, потому что воздух на вершине, из-за более низкого давления, имеет более высокую потенциальную температуру, чем более теплый воздух внизу.

Эффекты конденсации воды: эквивалентная потенциальная температура

Восходящий воздушный поток, содержащий водяной пар, при достаточном подъеме достигает уровня подъёма конденсации: он насыщается водяным паром (см. соотношение Клаузиуса — Клапейрона). Если воздушный поток продолжает подниматься, водяной пар конденсируется и выделяет скрытую теплоту окружающему воздуху, частично компенсируя адиабатическое охлаждение. Таким образом, насыщенный воздушный поток охлаждается медленнее, чем сухой, при подъеме (его температура изменяется с высотой по влажному адиабатическому градиенту, который меньше сухого адиабатического градиента). Такой насыщенный воздушный поток может приобрести плавучесть и, следовательно, ускоряться вверх, создавая неуправляемую ситуацию (неустойчивость), даже если потенциальная температура увеличивается с высотой. Достаточным условием абсолютной устойчивости воздушного столба, даже по отношению к насыщенным конвективным движениям, является монотонное увеличение эквивалентной потенциальной температуры с высотой.

Использование

Это применимо к синоптическому масштабу для характеристики воздушных масс. Например, в исследовании североамериканского ледяного шторма 1998 года профессора Гьякум (Макгиллский университет, Монреаль) и Ройбер (Университет Висконсина-Милуоки) показали, что воздушные массы, участвовавшие в этом явлении, образовались в высоких арктических широтах на высоте от 300 до 400 гПа за предыдущую неделю, затем, перемещаясь к тропикам, опускались к поверхности, а после этого вновь поднимались вверх по долине Миссисипи в сторону долины Святого Лаврентия. Обратные траектории оценивались с использованием постоянных значений эквивалентной потенциальной температуры. В мезомасштабе эквивалентная потенциальная температура также является полезным показателем статической устойчивости ненасыщенной атмосферы. При нормальных, устойчиво стратифицированных условиях потенциальная температура увеличивается с высотой, что подавляет вертикальные движения. Если эквивалентная потенциальная температура уменьшается с высотой, атмосфера становится неустойчивой для вертикальных движений, и возникает конвекция. Ситуации, когда эквивалентная потенциальная температура снижается с высотой, указывая на неустойчивость насыщенного воздуха, встречаются довольно часто.