Energia potențială a convecției disponibile (EPCD), în engleză energia potențială disponibilă convectivă (CAPE), este energia potențială pe unitate de masă pe care o parcelă de aer este mai caldă decât mediul său, ceea ce are ca rezultat o împingere ascendentă a lui Arhimede . Acest lucru se întâmplă de îndată ce nivelul de convecție liberă a masei de aer este depășit . EPCD se măsoară în jouli pe kilogram (J / kg) sau, care este echivalent, dar mai puțin utilizat, în metri pătrați pe secundă pătrată (m 2 / s 2 ).
Un pachet de aer încălzit la o temperatură mai mare decât aerul ambiant este mai puțin dens decât acesta și va suferi o accelerație verticală. Temperatura proprie variază în conformitate cu legea ideală a gazelor ( ) de-a lungul ascensiunii sale. Parcela va continua să urce până ajunge la o altitudine în care temperatura sa este egală cu cea a aerului înconjurător. Apoi va exista decelerare dacă devine mai rece, deoarece devine apoi mai densă decât mediul înconjurător. Energia acumulată de grafic între începutul creșterii și punctul în care graficul revine la aceeași temperatură cu mediul este calculată de integralul zonei dintre cele două curbe virtuale de temperatură (inclusiv efectul umidității):
Deoarece această energie potențială este transformată în mișcare , putem calcula, prin urmare, viteza maximă a curentului ascendent creat prin egalarea EPCD cu ecuația energiei cinetice pe unitate de masă (E c ). Acest lucru este valabil numai în cazul fără frecare și fără amestec cu aerul ambiant:
Prin urmare:
În practică, datorită antrenării atmosferice , viteza maximă a curenților ascendenți trebuie împărțită la 2 și apoi obținem:
Astfel, cu un EPCD de 6000 J / kg (care este o valoare extremă ), viteza maximă de curent de curent ar fi de 55 m / s, ceea ce reprezintă o valoare rezonabilă în aceste condiții. Deoarece EPCD este mai general de ordinul 500-2000 J / kg și o valoare medie de 1000 J / kg corespunde la 22 m / s, care este, de asemenea, o valoare rezonabilă pentru o furtună cu intensitate medie.
Metoda particulei este utilizată pentru a urmări schimbarea de temperatură a particulei cu altitudinea utilizând diferite diagrame termodinamice . Acesta constă în urmărirea stării de stabilitate hidrostatică a atmosferei în funcție de deplasarea verticală a unei particule de aer, aerul înconjurător ar trebui să rămână în repaus. Cu toate acestea, numai tefigrama și Skew-T permit calcularea directă a energiei de convecție potențiale disponibile (EPCD) de zona dintre temperatura particulei și cea a mediului.
În figura din dreapta, linia portocalie reprezintă temperatura unui pachet de aer, iar linia neagră reprezintă temperatura mediului. La partea de jos a nivelului 313 (31.300 de picioare ), parcela este mai caldă, iar EPCD-ul său este zona galbenă dintre cele două linii. Peste nivelul 313, parcela ascendentă devine mai rece decât împrejurimile, iar zona galbenă găsită acolo este negativă și reprezintă zona de decelerare a parcelei. Când această din urmă zonă este egală cu cea a EPCD, parcela a atins viteza zero și înălțimea sa maximă.
EPCD este unul dintre parametrii utilizați pentru a estima potențialul violent al unei furtuni. Într-adevăr, cu cât curentul de curent este mai puternic , cu atât va rezista mai mult la grindină mare sau la o masă mare de precipitații . În plus, dacă curentul în creștere are o anumită rotație, există o bună posibilitate de a dezvolta tornade . Cu toate acestea, EPCD nu este singurul factor, deoarece tăierea vântului cu altitudinea este, de asemenea, crucială.
Iată valorile tipice ale EPCD:
De furtuni formeaza atunci cand parcelele de aer se ridică în atmosferă , pentru a forma tip nor cumulonimbus al cărui vârf este formată din cristale de gheață. Acest fenomen, numit convecție profundă , apare atunci când pachetul de aer saturat crește singur, pe măsură ce devine din ce în ce mai fierbinte în comparație cu aerul din jur. Atmosfera Pământului este, în general, mai caldă lângă suprafața Pământului decât este mai sus în troposferă . Rata de schimbare a temperaturii cu altitudinea se numește gradient termic. Dacă acest lucru este mai mare decât gradientul termic saturat , graficul pus în mișcare în sus se va accelera, deoarece acest grafic va fi din ce în ce mai cald și, prin urmare, din ce în ce mai puțin dens în comparație cu aerul din jur.
Cantitatea de energie potențială convectivă (EPCD) disponibilă și nivelul de convecție liberă determină viteza curenților ascendenți . O energie potențială de convecție disponibilă cu valori extreme poate fi cauza dezvoltării explozive a furtunilor; o astfel de dezvoltare apare atunci când un strat de inversiune a temperaturii care a blocat orice dezvoltare convectivă semnificativă este străpuns ca capacul unui vas cu apă clocotită. Acest fenomen este frecvent în nordul Europei vara, când o masă de aer din Sahara predă la altitudine medie. Această masă de aer blochează inițial orice convecție semnificativă, iar aerul din apropierea solului devine din ce în ce mai fierbinte până când „capacul apare”. Cantitatea de EPCD determină, de asemenea, cantitatea de vorticitate care este antrenată și ulterior amplificată în curentele ascendente care provoacă dezvoltarea tornadic . În timp ce EPCD calculat între 0 km și 3 km este critic pentru formarea tornadelor, cantitatea de EPCD la niveluri atmosferice medii este critică pentru formarea furtunilor supercelulare . Astfel, grindina foarte mare se va putea forma numai în cazul unor curenți ascendenți violenți și, prin urmare, a unui EPCD semnificativ, deși curentul ascendent rotativ tinde să devină mai viguros atunci când EPCD este mai mic. Un EPCD mare tinde, de asemenea, să favorizeze numărul de blițuri.
Două episoade celebre de vreme rea au avut loc în timpul EPCD de peste 5000 J / kg . Cu două ore înainte de Oklahoma tornado din 03 mai 1999 sondarea atmosferei din Oklahoma City a raportat o capă de 5000 J / kg aproximativ. Două ore mai târziu, o forță de tornadă EF5 a devastat suburbiile sudice ale orașului. Din nou4 mai 2007, a fost atins un EPCD între 5.200 și 5.700 J / kg și o tornadă EF5 a devastat Greensburg, Kansas . În aceste două zile era clar că se vor dezvolta tornade; valorile excepționale ale EPCD nu au fost, totuși, factorul declanșator. Cu toate acestea, valorile extreme ale EPCD sunt cauza ascensiunii sau descendentelor care ating viteze fenomenale. De exemplu, evenimente cum ar fi tornadele EF5 care a lovit Plainfield, Illinois pe28 august 1990și Jarrell (Texas) pe27 mai 1997nu a apărut atunci când riscul de tornade severe a fost aparent ridicat. EPCD a fost estimat la 7.000 J / kg la Plainfield și Jarrel.
Vremea rea și tornadele se pot dezvolta prin EPCD scăzut (de ordinul 1000 J / kg ). Un bun exemplu este evenimentul tornadic Utica (în) care a avut loc în Illinois și Indiana pe20 aprilie 2004. EPCD general era mic, dar EPCD era important în straturile inferioare ale atmosferei; a generat furtuni subcelulare supercelulare provocând tornade intense și de lungă durată.