Energia potencjalna dostępna konwekcyjnie

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacji, wyszukiwania

Energia potencjalna dostępna konwekcyjnie (ang. convective available potential energy, w skrócie CAPE) w meteorologii opisuje ilość energii potencjalnej elementu masy atmosfery uzyskanej podczas pionowego ruchu w atmosferze. Jednostką CAPE jest dżul na kilogram powietrza (J/kg). Dodatnie wartości pokazują na niestabilność konwekcyjną, powstawanie silnych prądów wznoszących w atmosferze co prowadzi do występowania burz.

Mechanizm[edytuj | edytuj kod]

Diagram

Energia CAPE istnieje w niestabilnej warstwie troposfery (tzw. warstwie wolnej konwekcji), gdzie temperatura wznoszącej się parceli powietrza jest wyższa niż temperatura otoczenia. Cieplejsze powietrze jest lżejsze, więc ten warunek gwarantuje wznoszenie. Każda wartość CAPE większa niż 0 J/kg oznacza niestabilność i możliwość groźnych zjawisk. CAPE liczymy przez całkowanie lokalnej wyporności powietrza w warstwie wolnej konwekcji (czyli na wysokościach od poziomu swobodnej konwekcji (LFC) do poziomu równowagi (EL)).

CAPE = \int_{z_f}^{z_n} g \left(\frac{Tv_{parcel} - Tv_{env}}{Tv_{env}}\right) \, dz

Gdzie z_f i z_n to wysokości na których znajdują się poziomy swobodnej konwekcji i równowagi. Natomiast Tv_{parcel} to temperatura wirtualna parceli powietrza, Tv_{env} to wirtualna temperatura otoczenia, a g to przyspieszenie ziemskie. CAPE liczy się zwykle za pomocą diagramów termodynamicznych przy wykorzystaniu zmierzonych wartości temperatury powietrza i punktu rosy.

Na diagramie CAPE to obszar zaznaczony plusami pomiędzy LFC i EL. Obszar zaznaczony minusami w dolnej części diagramu to zatrzymanie konwekcji (CIN). W tym obszarze wirtualna temperatura parceli powietrza jest niższa niż otoczenia i atmosfera jest tu stabilna. CIN wyraża nam energię potrzebną, by parcela powietrza osiągnęła poziom swobodnej konwekcji. Gdy ta energia zostanie dostarczona (z ogrzewania, podnoszenia ciepłego powietrza przez zimne itd.), to dopiero wówczas nastąpi konwekcja proporcjonalnie silna do wartości CAPE i będą mogły rozwinąć się groźne zjawiska atmosferyczne.

Jest wiele typów CAPE, np. downdraft CAPE (DCAPE, energia potencjalna prądów zstępujących dostępna konwekcyjnie), określa potencjalną siłę deszczu i chłodzonych przez parowanie prądów zstępujących. Inne typy CAPE mogą zależeć od uwzględnianej głębi, jak surface based CAPE (SBCAPE), mixed layer lub mean layer CAPE (MLCAPE), most unstable lub maximum usable CAPE (MUCAPE) i normalized CAPE (NCAPE)[1].

Czynniki wpływające na dużą wartość CAPE[edytuj | edytuj kod]

Wielkość CAPE zależy od różnic temperatur między wznoszącą się parcelą powietrza, a otoczeniem na średnich i dużych wysokościach. Większa różnica temperatur (na korzyść wznoszącej się parceli powietrza), to bardziej gwałtowne i szybkie prądy wznoszące i bardziej gwałtowne burze, co na rysunku widoczne jest jako szeroki obszar dodatni. CAPE zależy więc od:

  • Rozkładu temperatur powietrza w zależności od wysokości (im szybciej powietrze się ochładza wraz z wysokością i im zimniejsze jest, tym większa wartość CAPE)
  • Temperatury powietrza blisko powierzchni ziemi (im cieplejsza parcela powietrza przy powierzchni, tym większa różnica temperatur zaistnieje między nią a otoczeniem na większych wysokościach i zwiększy to wartość CAPE), ponadto ogrzewanie jest potrzebne do podniesienia powietrza do poziomu swobodnej konwekcji
  • Od wilgotności powietrza przy powierzchni ziemi (im większa wilgotność, tym więcej ciepła przemiany wydzieli się w czasie kondensacji i parcela powietrza będzie stygnąć wolniej niż otoczenie, co sprzyja większemu CAPE)

Te czynniki przyczyniając się do zwiększenia CAPE są głównymi przyczynami rozwoju gwałtownych zjawisk atmosferycznych.

Związek CAPE z burzami[edytuj | edytuj kod]

Burze powstają, kiedy parcele powietrza są podnoszone pionowo w górę. Aby zaszła silna konwekcja unoszące się powietrze musi osiągnąć poziom LFC, by potem rozpocząć swobodne unoszenie aż do poziomu równowagi. Przy powierzchni ziemi powietrze jest ciepłe, ale wraz ze wzrostem wysokości robi się coraz chłodniejsze. Temperatura powietrzna na różnych wysokościach jest na wykresie widoczna jako gruba linia. Rozmiar i kształt obszaru CAPE determinuje nam prędkość prądów wstępujących. Ekstremalnie wysokie wartości CAPE mogą skutkować nagłym rozwojem gwałtownych chmur burzowych, zwłaszcza przy obecności inwersji temperatur. Dla rozwoju tornad ważną rolę odgrywa CAPE na najniższych wysokościach (do 3 km). Szeroki i duży obszar CAPE na średnich wysokościach jest ważny w rozwoju superkomórek, gdyż oznacza to duże różnice temperatur i szybkie przyspieszanie prądów wstępujących niezbędne do powstania superkomórek. Gwałtowne tornada zdarzają się, gdy wartości CAPE są bardzo wysokie. W związku z dużymi wartościami energii potencjalnej prądy wstępujące są znacznie mocniejsze, co sprzyja gradowi ogromnych rozmiarów i wyładowaniom atmosferycznym. Przykładowo przed atakiem tornada F5 w Oklahomie 3 maja 1999 wartość CAPE osiągnęła bardzo wysoki poziom 5885 J/kg.

Linki zewnętrzne[edytuj | edytuj kod]

Przypisy