Energia potencjalna dostępnej konwekcji (EPCD), w języku angielskim konwekcyjnie dostępna energia potencjalna (CAPE), to energia potencjalna na jednostkę masy paczki powietrza cieplejszego niż jej otoczenie, co powoduje wypychanie Archimedesa w górę . Dzieje się tak, gdy tylko zostanie przekroczony poziom swobodnej konwekcji masy powietrza. EPCD jest mierzona w dżulach na kilogram (J / kg), lub, co jest równoważne, lecz mniej powszechnie stosowany w metrach kwadratowych na placu sekundę (m 2 / s 2 ).
Paczka powietrza podgrzanego do temperatury wyższej niż powietrze otoczenia jest mniej gęsta niż to ostatnie i ulegnie przyspieszeniu pionowemu. Jego własna temperatura zmienia się zgodnie z prawem gazu doskonałego ( ) podczas jego wynurzania. Działka będzie się dalej wspinać, aż osiągnie wysokość, na której jej temperatura będzie równa temperaturze otaczającego powietrza. Nastąpi wtedy spowolnienie, jeśli zrobi się chłodniej, ponieważ wtedy stanie się gęstsze niż otoczenie. Energia zgromadzona przez wykres między początkiem wzrostu a punktem, w którym wykres powraca do tej samej temperatury, co środowisko, jest obliczana przez całkę z powierzchni między dwiema wirtualnymi krzywymi temperatury (w tym wpływ wilgotności):
Ponieważ ta energia potencjalna jest przekształcana w ruch , możemy zatem obliczyć maksymalną prędkość prądu wstępującego utworzonego przez zrównanie EPCD z równaniem energii kinetycznej na jednostkę masy (E c ). Dotyczy to tylko przypadku bez tarcia i bez mieszania się z powietrzem otoczenia:
W związku z tym :
W praktyce, ze względu na porywanie atmosferyczne , maksymalną prędkość prądów wstępujących należy podzielić przez 2 i otrzymujemy:
Zatem przy EPCD wynoszącym 6000 J / kg (co jest wartością ekstremalną ), maksymalna prędkość prądu wstępnego wynosiłaby 55 m / s, co jest wartością rozsądną w danych okolicznościach. Ponieważ EPCD jest bardziej ogólnie rzędu 500 do 2000 J / kg, a średnia wartość 1000 J / kg odpowiada 22 m / s, co jest również rozsądną wartością dla burzy o średniej intensywności.
Metoda cząstek służy do śledzenia zmian temperatury cząstki wraz z wysokością przy użyciu różnych diagramów termodynamicznych . Polega ona na śledzeniu stanu stabilności hydrostatycznej atmosfery w funkcji pionowego przemieszczania się cząsteczki powietrza, przy czym otaczające powietrze ma pozostawać w stanie spoczynku. Jednak tylko tefigram i Skew-T pozwalają na bezpośrednie obliczenie dostępnej energii potencjalnej konwekcji (EPCD) na podstawie obszaru między temperaturą cząstki a temperaturą otoczenia.
Na rysunku po prawej stronie pomarańczowa linia przedstawia temperaturę paczki powietrza, a czarna linia przedstawia temperaturę otoczenia. Na dole poziomu 313 (31 300 stóp ) działka jest cieplejsza, a jej EPCD to żółty obszar między dwiema liniami. Powyżej poziomu 313 działka wstępująca staje się zimniejsza niż otoczenie, a znaleziona tam żółta strefa jest ujemna i reprezentuje strefę spowolnienia działki. Kiedy ta ostatnia strefa jest równa strefie EPCD, wykres osiągnął zerową prędkość i maksymalną wysokość.
EPCD jest jednym z parametrów używanych do oszacowania gwałtownego potencjału burzy. Rzeczywiście, im silniejszy prąd wstępujący , tym bardziej będzie on w stanie wytrzymać duże gradobicie lub dużą masę opadów . Ponadto, jeśli prąd rosnący ma określoną rotację, istnieje duże prawdopodobieństwo rozwoju tornad . Jednak EPCD nie jest jedynym czynnikiem, ponieważ uskok wiatru wraz z wysokością jest również kluczowy.
Oto typowe wartości EPCD:
W burze tworzyć, gdy paczki powietrza wzrost atmosfery, tworząc obłok typu cumulonimbus , którego górna część jest utworzona z kryształów lodu. Zjawisko to, zwane głęboką konwekcją , występuje, gdy część nasyconego powietrza unosi się samoczynnie, gdy staje się cieplejsza i cieplejsza w porównaniu z otaczającym powietrzem. Atmosfera ziemska jest na ogół cieplejsza w pobliżu powierzchni Ziemi niż wyżej w troposferze . Szybkość zmian temperatury wraz z wysokością nazywana jest gradientem termicznym. Jeśli jest on większy niż nasycony gradient termiczny, wówczas wykres wprawiony w ruch w górę będzie przyspieszał, ponieważ wykres ten będzie coraz bardziej gorący, a zatem coraz mniej gęsty w porównaniu z otaczającym powietrzem.
Ilość dostępnej konwekcyjnej energii potencjalnej (EPCD) i poziom swobodnej konwekcji determinują prędkość prądów wstępujących . Potencjalna energia konwekcji dostępna przy ekstremalnych wartościach może być przyczyną gwałtownego rozwoju burz; taki rozwój występuje, gdy warstwa inwersji temperatury , która blokowała jakiekolwiek znaczące zmiany konwekcyjne, jest przebijana jak wieczko garnka z wrzącą wodą. Zjawisko to jest powszechne w północnej Europie latem, kiedy masa powietrza znad Sahary pojawia się na średnich wysokościach. Ta masa powietrza początkowo blokuje jakąkolwiek znaczącą konwekcję i powietrze w pobliżu gruntu staje się coraz cieplejsze, aż do „wyskoczenia pokrywy”. Ilość EPCD określa również wielkość wirowości, która jest porywana, a następnie wzmacniana w prądach wstępujących, które powodują rozwój tornad . Podczas gdy obliczona EPCD między 0 km a 3 km jest krytyczna dla powstawania tornad, ilość EPCD przy średnich poziomach atmosferycznych ma kluczowe znaczenie dla powstawania burz z superkomórkami . Tak więc bardzo duży grad będzie mógł powstać tylko w przypadku gwałtownych prądów wznoszących, a tym samym znacznego EPCD, chociaż wirujący prąd wstępujący ma tendencję do stawania się bardziej energiczny, gdy EPCD jest mniejszy. Duży EPCD również sprzyja liczbie błysków.
Podczas EPCD powyżej 5000 J / kg miały miejsce dwa słynne epizody złej pogody . Dwie godziny przed Oklahoma tornado od 3 maja 1999 r brzmiące atmosferyczny z Oklahoma City odnotowano Przylądek 5000 J / kg ok. Dwie godziny później siła tornada EF5 spustoszyła południowe przedmieścia miasta. Ponownie4 maja 2007osiągnięto EPCD między 5200 a 5700 J / kg, a tornado EF5 spustoszyło Greensburg w Kansas . W ciągu tych dwóch dni było jasne, że pojawią się tornada; wyjątkowe wartości EPCD nie były jednak wyzwalaczem. Jednak ekstremalne wartości EPCD są przyczyną prądów wstępujących lub zstępujących osiągających fenomenalne prędkości. Na przykład, zdarzenia takie jak tornada EF5 które dotknęły Plainfield, Illinois na28 sierpnia 1990i Jarrell (Teksas) dalej27 maja 1997nie wystąpiły, gdy ryzyko wystąpienia silnych tornad było najwyraźniej wysokie. EPCD oszacowano na 7 000 J / kg w Plainfield i Jarrel.
Ciężka zła pogoda i tornada mogą się rozwinąć przy niskim EPCD (rzędu 1000 J / kg ). Dobrym przykładem jest tornadyczne wydarzenie Utica (w), które miało miejsce w Illinois i Indianie w dniu20 kwietnia 2004. Ogólny EPCD był mały, ale EPCD był ważny w niższych warstwach atmosfery; generował cienkie burze superkomórkowe, powodując intensywne i długotrwałe tornada.