Potencial de convecção disponível

A energia potencial de convecção disponível (EPCD), em inglês convectiva energia potencial disponível (CAPE), é a energia potencial por unidade de massa que uma parcela de ar mais quente que seu ambiente, que resulta em um impulso para cima de Arquimedes . Isso acontece assim que o nível de convecção livre da massa de ar é excedido . O EPCD é medido em joules por quilograma (J / kg) ou, o que é equivalente, mas menos comumente usado, em metros quadrados por segundo quadrado (m 2 / s 2 ).

Descrição

Uma parcela de ar aquecida a uma temperatura superior à do ar ambiente é menos densa que esta e sofrerá aceleração vertical. Sua própria temperatura varia de acordo com a lei dos gases ideais ( ) ao longo de sua subida. O terreno continuará a subir até atingir uma altitude em que sua temperatura seja igual à do ar ambiente. Haverá desaceleração se ficar mais frio porque então se tornará mais denso que o ambiente. A energia acumulada pelo gráfico entre o início da subida e o ponto onde o gráfico retorna à mesma temperatura do ambiente é calculada pela integral da área entre as duas curvas virtuais de temperatura (incluindo o efeito da umidade):

Uma vez que essa energia potencial é transformada em movimento , podemos, portanto, calcular a velocidade máxima da corrente ascendente criada igualando o EPCD à equação da energia cinética por unidade de massa (E c ). Isso só é válido no caso sem atrito e sem mistura com o ar ambiente:

Portanto :

Na prática, por causa do arrastamento atmosférico , a velocidade máxima das correntes ascendentes deve ser dividida por 2 e então obtemos:

Assim, com um EPCD sendo 6000  J / kg (que é um valor extremo ), a velocidade máxima de atualização seria 55  m / s, que é um valor razoável nas circunstâncias. Como o EPCD é mais geralmente da ordem de 500 a 2000  J / kg e um valor médio de 1000  J / kg corresponde a 22  m / s que também é um valor razoável para uma tempestade de intensidade média.

Método de Partículas

O método da partícula é usado para acompanhar a mudança de temperatura da partícula com a altitude usando diferentes diagramas termodinâmicos . Consiste em acompanhar o estado de estabilidade hidrostática da atmosfera em função do deslocamento vertical de uma partícula de ar, devendo o ar circundante permanecer em repouso. Porém, apenas o tefigrama e o Skew-T permitem o cálculo direto da energia potencial de convecção disponível (EPCD) pela área compreendida entre a temperatura da partícula e a do ambiente.

Na figura à direita, a linha laranja representa a temperatura de uma parcela de ar e a linha preta representa a temperatura do ambiente. Na parte inferior do nível 313 (31.300 pés ), o gráfico é mais quente e seu EPCD é a área amarela entre as duas linhas. Acima do nível 313, o gráfico ascendente torna-se mais frio do que os arredores e a zona amarela lá encontrada é negativa e representa a zona de desaceleração do gráfico. Quando esta última zona é igual à do EPCD, o gráfico atingiu a velocidade zero e sua altura máxima.

Relação com a gravidade da tempestade

Introdução

O EPCD é um dos parâmetros usados ​​para estimar o potencial violento de uma tempestade. Na verdade, quanto mais forte a corrente ascendente , mais ela será capaz de suportar grandes pedras de granizo ou uma grande massa de precipitação . Além disso, se a corrente ascendente tiver uma certa rotação, existe uma boa possibilidade do desenvolvimento de tornados . No entanto, o EPCD não é o único fator, já que o cisalhamento do vento com a altitude também é crucial.

Aqui estão os valores típicos do EPCD:

Previsão da violência das tempestades

As tempestades se formam quando pacotes de ar sobem na atmosfera para formar cúmulos-nimbos do tipo nuvem cujo topo é formado por cristais de gelo. Este fenômeno, denominado convecção profunda , ocorre quando a parcela de ar saturado sobe por si mesma, à medida que se torna cada vez mais quente em comparação com o ar circundante. A atmosfera da Terra é geralmente mais quente perto da superfície da Terra do que mais acima na troposfera . A taxa de variação da temperatura com a altitude é chamada de gradiente térmico. Se este for maior do que o gradiente térmico saturado, então o gráfico colocado em movimento para cima irá acelerar porque este gráfico estará cada vez mais quente e, portanto, menos e menos denso em comparação com o ar circundante.

A quantidade de energia potencial convectiva (EPCD) disponível e o nível de convecção livre determinam a velocidade das correntes ascendentes . Uma energia de convecção potencial disponível com valores extremos pode ser a causa de um desenvolvimento explosivo de tempestades; tal desenvolvimento ocorre quando uma camada de inversão de temperatura que bloqueou qualquer desenvolvimento convectivo significativo é perfurada como a tampa de uma panela de água fervente. Este fenômeno é comum no norte da Europa no verão, quando uma massa de ar do Saara avança a uma altitude média. Essa massa de ar bloqueia inicialmente qualquer convecção significativa e o ar próximo ao solo fica cada vez mais quente até “a tampa estourar”. A quantidade de EPCD também determina a quantidade de vorticidade que é arrastada e subsequentemente amplificada nas correntes ascendentes que causam o desenvolvimento de tornádicos . Enquanto o EPCD calculado entre 0  km e 3  km é crítico para a formação de tornados, a quantidade de EPCD em níveis atmosféricos médios é crítica para a formação de tempestades supercelulares . Assim, granizo muito grande só será capaz de se formar no caso de correntes ascendentes violentas e, portanto, EPCD significativo, embora a corrente ascendente rotativa tenda a se tornar mais vigorosa quando o EPCD for menor. Um grande EPCD também tende a favorecer o número de flashes.

Dois episódios famosos de mau tempo ocorreram durante EPCD de mais de 5000  J / kg . Duas horas antes do tornado de Oklahoma em 3 de maio de 1999, a sondagem atmosférica de Oklahoma City relatou um CAPE de 5000  J / kg aproximadamente. Duas horas depois, um furacão EF5 devastou os subúrbios ao sul da cidade. De novo o4 de maio de 2007, um EPCD entre 5.200 e 5.700  J / kg foi alcançado e um tornado EF5 devastou Greensburg, Kansas . Durante esses dois dias, ficou claro que tornados iriam se desenvolver; os valores excepcionais de EPCD não foram, entretanto, o gatilho. No entanto, valores extremos de EPCD são a causa de correntes ascendentes ou descendentes que atingem velocidades fenomenais. Por exemplo, eventos como os tornados EF5 que atingiram Plainfield, Illinois, em28 de agosto de 1990e Jarrell (Texas) em27 de maio de 1997não ocorreu quando o risco de tornados severos era aparentemente alto. EPCD foi estimado em 7.000  J / kg em Plainfield e Jarrel.

Intempéries severas e tornados podem se desenvolver por baixo EPCD (da ordem de 1000  J / kg ). Um bom exemplo é o torneio de Utica (em) que ocorreu em Illinois e Indiana em20 de abril de 2004. O EPCD geral era pequeno, mas o EPCD era importante nas camadas inferiores da atmosfera; gerou tempestades supercelulares que causaram tornados intensos e de longa duração.

Notas e referências

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Veja também

Bibliografia