온위

압력 에서 유체 덩어리의 온위(potential temperature)는 일반적으로 인 표준 기준 압력 으로 단열적으로 이동될 경우 덩어리가 도달하는 온도이다. 온위는 로 표기되며, 이상 기체로 잘 근사되는 기체의 경우 다음 식으로 주어진다.



여기서 는 덩어리의 현재 절대 온도(K), 은 공기의 비기체 상수, 는 정압 비열용량이다.
공기(기상학)의 경우 이다. 해양에서 온위의 기준점은 일반적으로 0 dbar의 수압을 가지는 해수면이다. 해양의 온위는 해수의 다양한 비열용량을 고려하지 않으므로 열 함량의 보존적인 척도가 아니다. 온위의 그래프 표현은 온도 대 깊이 그래프에서 항상 실제 온도 선보다 작다.

 맥락 
온위의 개념은 모든 층상 유체에 적용된다. 이는 대기과학 및 해양학에서 가장 자주 사용된다. 이 두 분야에서 온위가 사용되는 이유는 압력 변화로 인해 더 따뜻한 유체가 더 차가운 유체 아래에 위치할 수 있기 때문이다. 예를 들어, 고도가 높아짐에 따라 기온이 떨어지고, 매우 깊은 해양 해구와 해양 혼합층 내에서는 깊이가 깊어짐에 따라 수온이 증가하는 경우가 있다. 대신 온위를 사용하면 유체 덩어리가 등온선에 따라 불변하므로 이러한 겉으로 보기에 불안정한 조건은 사라진다. 해양에서 표면을 기준으로 하는 온위는 현장 온도(측정 기기가 측정된 특정 깊이에서 물 부피가 가지는 온도)보다 약간 낮을 것이다. 이는 압력 감소로 인한 팽창이 냉각으로 이어지기 때문이다. 현장 온도와 온위의 수치적 차이는 거의 항상 1.5도 미만이다. 그러나 매우 다른 깊이의 물 온도를 비교할 때는 온위를 사용하는 것이 중요하다.

 설명 
온위는 실제 온도보다 역학적으로 더 중요한 양이다. 이는 장애물 위를 흐르거나 대규모 대기 난류와 관련된 물리적 상승 또는 하강에 영향을 받지 않기 때문이다. 작은 산 위를 이동하는 공기 덩어리는 경사면을 오르면서 팽창하고 냉각되며, 반대편으로 내려가면서 압축되고 가열되지만, 가열, 냉각, 증발 또는 응결이 없는 한 온위는 변하지 않는다(이러한 효과를 배제하는 과정은 건조 단열 과정이라고 한다). 동일한 온위를 가진 덩어리는 일이나 가열이 필요 없이 교환될 수 있으므로, 일정한 온위 선은 자연적인 흐름 경로이다.

거의 모든 상황에서 온위는 대기에서 위로 증가하며, 실제 온도는 증가하거나 감소할 수 있다. 온위는 모든 건조 단열 과정에서 보존되며, 따라서 대기경계층(종종 건조 단열에 매우 가깝다)에서 중요한 양이다.

섬네일|온위 및 정역학적 안정성
온위는 불포화 대기의 정적 안정성을 측정하는 데 유용하다. 정상적이고 안정적으로 층화된 조건에서는 온위가 고도에 따라 증가하며,



수직 운동은 억제된다. 온위가 고도에 따라 감소하면,

대기는 수직 운동에 대해 불안정하며, 대류가 발생할 가능성이 높다. 대류는 대기를 빠르게 혼합하여 안정적으로 층화된 상태로 되돌리는 역할을 하므로, 고도에 따라 온위가 감소하는 현상은 활발한 대류가 진행 중이거나 강한 일사량 기간을 제외하고는 드물다. 포화 공기의 불안정성을 나타내는, 고도에 따라 상당온위가 감소하는 상황은 훨씬 더 흔하다.

온위는 단열 또는 등엔트로피 공기 운동에서 보존되므로, 정상적이고 단열적인 흐름에서 일정한 온위 선 또는 표면은 각각 유선 또는 흐름 표면으로 작용한다. 이 사실은 공기 운동을 시각화하고 특히 대규모 수직 운동을 분석할 수 있는 일종의 일기도 분석인 등온위 분석에서 사용된다.

 온위 교란 
대기경계층(ABL) 온위 교란은 ABL의 온위와 ABL 상부 자유 대기의 온위 간의 차이로 정의된다. 이 값은 카타바틱 흐름의 경우 온위 결손이라고 불리는데, 이는 표면이 항상 자유 대기보다 차갑고 온위 교란이 음수가 되기 때문이다.

 유도 
열역학 제1법칙의 엔탈피 형태는 다음과 같이 쓸 수 있다.



여기서 는 엔탈피 변화, 는 온도, 는 엔트로피 변화, 는 비체적, 는 압력을 나타낸다.

단열 과정의 경우 엔트로피 변화는 0이며, 제1법칙은 다음과 같이 단순화된다.



지구 대기의 건조한 공기와 같은 근사적으로 이상기체의 경우, 상태 방정식 를 제1법칙에 대입하면 다음과 같이 재배열된다.



여기서 가 사용되었고 두 항 모두 로 나누었다.

적분하면 다음과 같다.



그리고 덩어리가 압력 수준 로 단열적으로 이동할 경우 얻게 되는 온도인 에 대해 풀면 다음과 같다.



 잠재 가상 온도 

가상 온도 는 다음 식으로 정의된다.



이는 표준 압력 P0에서 습한 공기와 동일한 밀도를 가질 건조한 공기의 이론적인 온위이다. 이는 부력 계산에서 밀도의 실제적인 대체물로 사용된다. 이 정의에서 는 온위, 은 수증기 혼합비, 은 공기 중 액체 물의 혼합비이다.

 관련량 
브룬트-바이살라 진동수는 온위를 사용하는 밀접하게 관련된 양이며 대기 안정성 연구에 광범위하게 사용된다.

 같이 보기 
 습구 온위
 대기열역학
 보존 온도
 상당온위

 각주 

 참고 문헌 
 M K Yau and R.R. Rogers, Short Course in Cloud Physics, Third Edition, published by Butterworth-Heinemann, January 1, 1989, 304 pages.  

 외부 링크 
 Wolfram Research의 Eric Weisstein 물리학 세계

분류:물리해양학
분류:대기열역학
분류:기상학적 수량