אנרגיה פוטנציאלית זמינה להסעה

תרשים skew-T המציג סאונדינג (מדידה אנכית של פרופיל האטמוספירה) בשעות הבוקר, שבו מופיעה ירידה חדה בלחות עם הגובה, ולאחריו סאונדינג בשעות אחר הצהריים המציג התקררות (העקומה האדומה זזה שמאלה) שהתרחשה בשכבות הביניים – דבר שהוביל לאטמוספירה בלתי יציבה, שכן כעת גושי אוויר מפני השטח הפכו לבעלי ציפה שלילית. הקו האדום מייצג את הטמפרטורה, הקו הירוק את נקודת הטל, והקו השחור מסלול גוש האוויר המורם.

במטאורולוגיה, אנרגיה פוטנציאלית זמינה להסעה (Convective Available Potential Energy, בקיצור CAPE), היא מדד ליכולתה של האטמוספירה לתמוך בתנועת אוויר כלפי מעלה – תהליך שיכול להוביל להיווצרות עננים וסופות. תנאים אטמוספיריים מסוימים, כגון אוויר חם ולח מאוד באטמוספירה שמתקררת במהירות עם הגובה, יכולים לקדם תנועת אוויר חזקה ומתמשכת כלפי מעלה, מה שעשוי לעודד היווצרות ענני קומולוס או קומולונימבוס (ענני סופת רעמים). במצב זה, פוטנציאל האנרגיה של האטמוספירה לתמוך בתנועת אוויר כלפי מעלה גבוהה מאוד, לכן ערך ה-CAPE יהיה גבוה וחיובי. לעומת זאת, בתנאים אחרים – כמו גוש אוויר פחות חם, או נוכחות אינוורסיה (שכבה בה הטמפרטורה עולה עם הגובה) – יכולת האטמוספירה לתמוך בתנועה אנכית חזקה פוחתת, לכן גם CAPE תהיה נמוכה יותר, וכך גם ההסתברות להיווצרות סופות רעמים.

מבחינה טכנית, CAPE היא כמות העבודה המשולבת שכוח הציפה כלפי מעלה (כוח חיובי) היה מבצע על מסת אוויר נתונה (הנקראת חבילת אוויר) לו הייתה עולה אנכית דרך כל האטמוספירה. ערך CAPE חיובי יגרום לחבילה לעלות, בעוד שערך שלילי יגרום לה לשקוע. גודל CAPE שאינו אפס מהווה אינדיקטור לחוסר יציבות אטמוספירית בכל פרופיל אטמוספירי נתון, ומהווה תנאי הכרחי להתפתחות ענני קומולוס וקומולוניבוס, המלווים בסכנות להתרחשות אירועי מזג אוויר קיצוניים.

מכניקה

דיאגרמת Skew-T בה מסומנים המאפיינים החשובים

CAPE קיים בתוך השכבה הבלתי יציבה על תנאי של הטרופוספירה, הידועה כשכבת ההסעה החופשית (FCL), שבה גוש אוויר עולה חם יותר מהאוויר שמסביבו. CAPE נמדדת ביחידות ג'אול לקילוגרם אוויר (J/kg). כל ערך גדול מ-0 מצביע על חוסר יציבות וסיכוי גובר להתפתחות סופות רעמים וברד. באופן כללי חישוב CAPE נעשה על ידי אינטגרציה אנכית של הציפה המקומית של חבילת האוויר מגובה ההסעה החופשית (LFC) לגובה שיווי המשקל (EL): $$\mathrm{C}\mathrm{A}\mathrm{P}\mathrm{E}=\underset{z_{\mathrm{f}}}{\overset{z_{\mathrm{n}}}{\int }}g\left(\frac{T_{\mathrm{v},\mathrm{p}\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{e}\mathrm{l}}-T_{\mathrm{v},\mathrm{e}\mathrm{n}\mathrm{v}}}{T_{\mathrm{v},\mathrm{e}\mathrm{n}\mathrm{v}}}\right)dz$$

בנוסחה זאת $z_{\mathrm{f}}$ מייצג גובה ההסעה החופשית, $z_{\mathrm{n}}$ הוא גובה שיווי המשקל (ציפה נייטרלית), $T_{\mathrm{v},\mathrm{p}\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{e}\mathrm{l}}$ מייצגת טמפרטורה ווירטואלית של החבילה הספציפית, $T_{\mathrm{v},\mathrm{e}\mathrm{n}\mathrm{v}}$ היא הטמפרטורה הווירטואלית של הסביבה (שימו לב שהטמפרטורות חייבות להיות בסולם קלווין), ו-$g$ מייצגת תאוצת כבידה סטנדרטית . אינטגרל זה הוא העבודה שנעשית על ידי כוח הציפה פחות העבודה שנעשית כנגד הכבידה, ולכן זהו עודף האנרגיה שיכול להיות מומר לאנרגיה קינטית.

ערכי CAPE עבור אזור נתון מחושבים לרוב מדיאגרמה תרמודינמית (Thermodynamic diagrams), או דיאגרמת מדידה (Atmospheric sounding; למשל, דיאגרמת Skew-T log-P) באמצעות נתוני טמפרטורת אוויר ונקודת הטל הנמדדים בדרך כלל על ידי בלון לחיזוי מזג אוויר.

למעשה CAPE מייצגת ציפה חיובית, ומסומנת ב-B+ או פשוט ב-B; זהו ההפך מעיכוב קונבקטיבי (Convective INhibition, CIN), שמסומן כ-B-, וניתן לחשוב עליו כ-0-"CAPE שלילי". כמו CIN, גם מדידת CAPE מבוצעת בדרך כלל ביחידות של ג'אול לקילוגרם (J/kg), אך ניתן גם לבטאה במטרים בריבוע לשנייה בריבוע (^m²/^s²), שכן הערכים שקולים. למעשה, לעיתים CAPE מכונה גם אנרגיית ציפה חיובית (Positive Buoyant Energy – PBE). סוג זה של CAPE הוא האנרגיה המקסימלית הזמינה עבור גוש אוויר עולה ולקונבקציה לחה. כאשר קיימת שכבת CIN, השכבה חייבת להישחק על ידי חימום פני השטח או הרמה מכנית, כך שחבילות בשכבת הגבול הקונבקטיבית יוכלו להגיע לגובה ההסעה החופשית (LFC) שלהן.

בתרשים סאונדינג, CAPE מיוצגת על ידי האזור החיובי שמעל ל-LFC, כלומר, האזור בין קו הטמפרטורה הווירטואלית של גוש האוויר העולה לבין קו הטמפרטורה הווירטואלית של הסביבה, שבו גוש האוויר העולה חם יותר מהסביבה. התעלמות מתיקון הטמפרטורה הווירטואלית עלולה לגרום לשגיאות יחסיות משמעותיות בחישוב CAPE, במיוחד עבור ערכי CAPE קטנים. ייתכן שקיימת אנרגיה פוטנציאלית הזמינה להסעה גם מתחת ל-LFC, אך אם קיימת שכבת CIN (התמוככות), אנרגיה זאת אינה זמינה להסעה עמוקה ולחה עד ש-CIN מתרוקן. כאשר קיימת הרמה מכנית עד לרוויה, בסיס הענן מתחיל בגובה העירוי המורם (LCL); בהיעדר אילוץ, בסיס הענן מתחיל בגובה העיבוי הקונבקיטיבי (CCL), בו החימום מלמטה גורם להרמה ספונטנית עד לנקודת העיבוי, כאשר מגיעים לטמפרטורה הקונבקטיבית (Convective temperature). אם שכבת ה־CIN נעדרת או נשברת, גושי אוויר רוויים ב־LCL או ב־CCL, שהיו ענני קומולוס קטנים, יעלו עד ל־LFC, ומשם ימשיכו לעלות באופן ספונטני עד שהם מגיעים לגובה שיווי המשקל (EL). התוצאה היא הסעה עמוקה ולחה, או במילים פשוטות – סופת רעמים.

כאשר גוש אוויר אינו יציב, הוא ימשיך לנוע אנכית – כלפי מעלה או מטה – בהתאם לסוג הכוח הפועל עליו (הרמה או שקיעה), עד שיגיע לשכבה יציבה. עם זאת, תנע, כוח הכובד וכוחות נוספים עשויים לגרום לו להמשיך גם מעבר לנקודה זו. קיימים מספר סוגי CAPE, וכל אחד מהם מתאר תרחישים שונים:

• DCAPE (Downdraft CAPE) – מעריך עוצמה פוטנציאלית של זרמים יורדים כתוצאה מהתקררות על ידי אידוי וגשם.
• SBCAPE (Surface-Based CAPE) – מבוסס על תנאי חבילת אוויר שמקורה ממש בפני השטח.
• MLCAPE (Mixed-Layer CAPE או Mean-Layer CAPE) – מחשב CAPE על בסיס גוש אוויר שמייצג תערובת ממוצעת של השכבות הנמוכות (לרוב 100 מיליבר ראשונים).
• MUCAPE (Most Unstable CAPE או Maximum Usable CAPE) – מתייחס לגוש האוויר הבלתי יציב ביותר בפרופיל, כלומר זה שיכול לספק ערך CAPE הגבוה ביותר.
• NCAPE (Normalized CAPE) – מתייחס לערך ה־CAPE מנורמל לעובי השכבה שבה מתקיימת הציפה, ומשמש להשוואה בין פרופילים אטמוספיריים שונים.

לסוגי ה־CAPE השונים יש שימושים מגוונים בהבנת תהליכים סוערים ובחיזוי פוטנציאל לסופות רעמים, ברד או טורנדו.

אלמנטים של זורם המוזזים כלפי מעלה או מטה באטמוספירה כזו מתרחבים או מתכווצים באופן אדיאבטי, על מנת לשמור על שיווי משקל בלחץ עם סביבתם, ובכך נעשים פחות או יותר צפופים.

אם הירידה/העלייה האדיאבטית בצפיפות קטנה מהירידה/העלייה בצפיפות של התווך הסביבתי (שאינו זז), אזי אלמנט הנוזל שנדחק יהיה נתון ללחץ כלפי מטה/מעלה, ולחץ זה יפעל להשבתו למיקומו המקורי. לפיכך, יהיה כוח נגדי לתזוזה הראשונית. מצב כזה מכונה יציבות הסעה (יציבות קונבקטיבית).

מצד שני, אם הירידה/העלייה האדיאבטית בצפיפות גדולה יותר מאשר בזורם מסביב, התזוזה כלפי מעלה/מטה תיתקל בכוח נוסף באותו כיוון שמפעיל הזורם על הסביבה. בנסיבות אלה, סטיות קטנות מהמצב ההתחלתי יוגברו. מצב זה מכונה קונבקציה לא יציבה (אי-יציביות קונבקטיבית, Convective instability).

קונבקציה לא יציבה נקראת גם חוסר יציבות סטטי, מכיוון שחוסר היציבות לא תלוי בתנועת האוויר הקיימת; זאת בניגוד לאי-יציבות הידרודינמית, בה חוסר היציבות תלוי בתנועת האוויר ובהשפעות הנלוות אליו כגון הרמה דינמית.

משמעות סופות רעמים

סופות רעמים נוצרות כאשר חבילות אוויר מורמות כלפי מעלה. הסעה עמוקה ולחה דורשת שהחבילה תעלה עד לגובה ההסעה החופשית, ומשם היא עולה באופן ספונטני עד שהיא מגיעה לשכבה בה הציפה לא חיובית. האטמוספירה חמה יחסית בפני השטח ובשכבות הנמוכות של הטרופוספרה, בהן מתבצע ערבוב – אזור הידוע כשכבת הגבול הפלנטרית (Planetary Boundary Layer – PBL) – אך היא מתקררת באופן ניכר ככל שעולים בגובה. פרופיל הטמפרטורה של האטמוספירה, כלומר השינוי בטמפרטורה עם הגובה, מכונה מפל הטמפרטורה (Lapse rate). כאשר גוש אוויר עולה ומתקרר לאט יותר מהאטמוספירה סביבו, הוא נשאר חם וצפוף פחות מהסביבה – ולכן ממשיך לעלות באופן חופשי (כלומר קונבקיטיבי, ללא צורך בהרמה מכנית), עד שהוא מגיע לשכבה שבה האוויר סביבו חם יותר ממנו (כלומר, פחות צפוף) – ושם תיעצר העלייה.

הכמות והצורה של אזור הציפה החיובית משפיעות על מהירות הזרמים העולים, ולכן CAPE קיצוני יכול להוביל להתפתחות סופות רעמים נפיצות במיוחד. התפתחות מהירה כזו מתרחשת לרוב כאשר האנרגיה האגורה על ידי אינוורסיית "כיפה" (Capping Inversion) משתחררת – כאשר "המכסה" נשבר עקב התחממות או הרמה מכנית. כמות ה־CAPE משפיעה גם על האופן שבו הערבוליות בשכבות הנמוכות נמשכת ונמתחת כלפי מעלה בתוך הזרם העולה, מה שמהווה גורם משמעותי בתהליך היווצרות טורנדו (Tornadogenesis). האנרגיה החשובה ביותר להיווצרות סופות טורנדו היא זו שנמצאת בתוך השכבות הנמוכות של האטמוספירה – בגובה של 1 עד 3 קילומטרים. לעומת זאת, CAPE בשכבות עמוקות יותר, כמו גם רוחב אזור ה־CAPE בגבהים הבינוניים, חשובים במיוחד עבור היווצרות תאי-על. התפרצויות טורנדו נוטות להתרחש בסביבות עם ערכי CAPE גבוהים. ערכי CAPE גדולים נדרשים גם ליצירת ברד גדול במיוחד, בשל עוצמת הזרם העולה – אם כי זרם עולה מסתובב עשוי להיות חזק גם עם פחות CAPE. בנוסף, CAPE גבוה תורם להגברת פעילות הברקים.

שני ימים התבלטו באירועי מזג אוויר קיצוני והציגו ערכי CAPE מעל 5 קילו-ג'אול/ק"ג. שעתיים לפני התפרצות הטורנדו באוקלהומה בשנת 1999 (1999 Oklahoma tornado outbreak) ב-3 במאי 1999, ערך ה-CAPE שנמדד באוקלהומה סיטי עמד על 5.89 קילו-ג'אול/ק"ג. מספר שעות לאחר מכן, טורנדו בדירוג F5 (Fujita scale ) פקד את פרווריה הדרומיים של העיר. כמו כן, ב-4 במאי 2007, נמדדו ערכי CAPE של 5.5 קילו-ג'אול/ק"ג, וטורנדו בעוצמה EF5 (Enhanced Fujita scale ) פקד את גרינסבורג, קנזס. בימים אלה היה ברור כי בשלו התנאים להיווצרות טורנדו וה-CAPE לא היוותה גורם מכריע. עם זאת, ערכי CAPE קיצוניים, באמצעות ויסות הזרם העולה (והיורד), עשויים לאפשר אירועים חריגים, כמו סופות הטורנדו הקטלניות מסוג F5 שפגעו בפלינפילד, אילינוי ב-28 באוגוסט 1990, ובג'רל, טקסס ב-27 במאי 1997. ימים אלו לא נראו במבט ראשון כבעלי תנאים התומכים בהיווצרות סופות טורנדו עזות. ההערכה היא שערך CAPE בסביבת הסופה בפליינפילד עלה על 8 קילו-ג'אול/ק"ג, ובמקרה של ג'רל הוערך כי הוא היה 7 קילו-ג'אול/ק"ג.

תנאי מזג אוויר קיצוני וסופות טורנדו יכולים להתפתח באזור עם ערכי CAPE נמוכים. אירוע מזג האוויר הקשה והמפתיע שהתרחש באילינוי ובאינדיאנה ב-20 באפריל 2004 (Tornado outbreak of April 20, 2004 ), הוא דוגמה טובה לכך. חשוב לציין במקרה זה, שאף על פי שערכי ה-CAPE הכוללים היו חלשים, היו עוצמות CAPE חזקות בגבהים נמוכים יותר של הטרופוספירה, מה שאפשר התפרצות של מיקרו-סופר-תאים שייצרו טורנדואים גדולים, ארוכי מסלול ועזים.

דוגמה ממטאורולוגיה

דוגמה טובה לאי-יציבות קונבקיטיבית ניתן למצוא באטמוספירה של כדור הארץ. כאשר אוויר יבש מהשכבות האמצעיות נמשך מעל אוויר חם ולח מאוד בשכבות התחתונות של הטרופוספרה, נוצר מצב של hydrolapse – אזור שבו טמפרטורת נקודת הטל יורדת במהירות עם הגובה, באזור המפגש בין שכבת הגבול הלחה לבין האוויר היבש בשכבות הגבוהות יותר. ככל שהחימום במהלך היום גובר, מתחזק גם הערבוב בתוך שכבת הגבול הלחה, וחלק מהאוויר הלח מתחיל לבוא במגע עם האוויר היבש שמעליו. כתוצאה מתהליכים תרמודינמיים, האוויר היבש שבשכבות האמצעיות מתחיל לרוות בהדרגה – מה שגורם לטמפרטורה שלו לרדת ומוביל לעלייה במפל הטמפרטורה האדיאבטי (Adiabatic Lapse Rate ). בתנאים מסוימים, קצב השתנות זה עלול לגדול באופן משמעותי בפרק זמן קצר – מה שיכול להוביל להתפתחות קונבקציה (זרימה אנכית). אי-יציבות קונבקיטיבית גבוהה עלולה להביא לסופות רעמים עזות ואף להיווצרות סופות טורנדו, כאשר האוויר הלח הכלוא בשכבת הגבול הופך לבעל ציפה שלילית חזקה ביחס למפל האדיאבטי – ובסופו של דבר "פורץ" כלפי מעלה כבועה חמה ולחה שעולה במהירות, מה שמעודד התפתחות ענני קומולוס או קומולונימבוס.

מגבלות

בדומה לרוב הפרמטרים המשמשים במטאורולוגיה, ישנם כמה סייגים שיש לקחת בחשבון, אחד מהם הוא מה ה-CAPE מייצגת מבחינה פיזיקלית, ובאילו מקרים ניתן להשתמש בה. דוגמה אחת שבה השיטה הנפוצה יותר לקביעת CAPE עלולה להתחיל לאבד ממהימנותה היא בנוכחות ציקלונים טרופיים (TCs), כגון שקעים טרופיים, סופות טרופיות או הוריקנים.

השיטה הנפוצה יותר לחישוב CAPE עלולה להיות לא מדויקת בקרבת ציקלונים טרופיים, משום שהיא מניחה שכל אדי המים מתעבים באופן מיידי והמים הנוזליים "נעלמים" מיד מהמערכת (כלומר, אינם נשמרים בתוך גוש האוויר). תהליך זה אינו הפיך בירידה אדיאבטית, ולכן אינו מייצג נאמנה את המתרחש באמת בציקלון טרופי. כדי להפוך החישוב לריאליסטי יותר עבור ציקלונים טרופיים, נעשה שימוש ב־CAPE הפיך – Reversible CAPE (RCAPE). בניגוד ל־CAPE הרגיל, RCAPE מניח את הקיצון ההפוך: שלא מתרחש אובדן מים נוזליים במהלך ההתעבות. כלומר, כל הלחות המעובה נשמרת בתוך גוש האוויר. תהליך חדש זה מעניק לחבילות צפיפות גדולה יותר הקשורה לעומס מים. שימור המים הנוזליים במהלך העלייה גורם לכך שלגוש האוויר יש צפיפות גבוהה יותר, בשל "משקל המים" (water loading), מה שמשפיע על כמות הציפה שלו ומביא לחישוב מדויק יותר בנוגע לאנרגיה הזמינה – בעיקר בסביבות רוויות כמו אלו שבציקלונים טרופיים.

RCAPE מחושב באמצעות הנוסחה שמשמשת לחישוב CAPE, רק שבמקרה זה נעשה שימוש בטמפרטורה הווירטואלית. בניסוח חדש זה, יחס הערבוב (Mixing ratio) של החבילה ברוויה (המוביל לעיבוי והיעלמות מים נוזליים), מוחלף בתכולת המים של החבילה. שינוי קל זה יכול להביא לשינוי הערכים המקבלים באינטגרציה באופן דרסטי.

ל-RCAPE מספר מגבלות, אחת מהן היא ההנחה שאין התאיידות – הנחה שנשמרת עקבית לשימוש בתוך ציקלון טרופי (TC), אך יש להשתמש במדד זה בזהירות במקומות אחרים.

מגבלה נוספת של CAPE ו-RCAPE היא ששתיהן לא מתחשבות בסחיפה (Entrainment ).

לקריאה נוספת

• Barry, R.G. and Chorley, R.J. Atmosphere, weather and climate (7th ed) Routledge 1998 p. 80-81 ISBN 0-415-16020-0

קישורים חיצוניים

• Map of current global CAPE

הערות שוליים

הערך באדיבות ויקיפדיה העברית, קרדיט,
רשימת התורמים
רישיון cc-by-sa 3.0

אנרגיה פוטנציאלית זמינה להסעה41516607Q1129355