9 - Condições de equilíbrio na atmosfera

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CONDIÇÕES DE EQUILÍBRIO NA ATMOSFERA
O PROCESSO ADIABÁTICO, O AR ESTÁVEL, INSTÁVEL E INDIFERENTE
Para fins de pesquisas e estudos, o ar atmosférico é considerado como um gás, estando, portanto, sujeito às leis dos gases. Assim, quando aquecido, passa a apresentar uma menor densidade e se expande; quando resfriado, apresenta uma maior densidade e se comprime. Infere-se daí que, variações na temperatura provocam modificações na pressão e no volume do ar.
O PROCESSO ADIABÁTICO
O processo adiabático envolve uma mudança de temperatura de uma parcela de ar, sem troca de energia com o meio no qual ela está inserida. Ele acontece das seguintes maneiras:
quando uma parcela de ar se eleva, vai encontrando pressões cada vez menores e se expande, resultando num resfriamento da parcela.
Quando uma parcela de ar afunda na atmosfera, vai encontrando pressões cada vez maiores e se comprime, resultando num aquecimento.
RAZÃO ADIABÁTICA SECA (RAS) – é o nome do gradiente térmico de uma parcela de ar não saturado, que apresenta o valor particular de 1ºC/100m. Ele é, na verdade, a variação vertical da temperatura de uma parcela de ar “seco” que, ao elevar-se adiabaticamente, resfria-se e, ao descer, aquece-se na mesma proporção.
GRADIENTE SUPERADIABÁTICO – é qualquer gradiente que apresenta valor superior a 1ºC/100m. O máximo possível na atmosfera é de 3,42ºC/100m e recebe o nome de gradiente autoconvectivo, pois quando ele ocorre, acontece o afundamento mecânico do ar mais frio dos níveis superiores e uma subida violenta de um volume equivalente de ar superaquecido dos níveis inferiores, resultando numa instabilidade extrema.
NÍVEL DE CONDENSAÇÃO CONVECTIVA (NCC) enquanto a temperatura do ar decresce à razão de 1ºC/100m, a temperatura do ponto de orvalho o faz na razão de 0,2ºC/100m. Quando a diferença entre os dois valores é nula, a parcela de ar considerada se satura, o vapor d’água se condensa, formando nebulosidade. O nível em que isso ocorre chama-se Nível de Condensação Convectiva (NCC) ou Nível de Condensação por Elevação (NCE). Sua altura é a mesma da nebulosidade aí formada.
Toda atividade convectiva inicia-se à superfície e a temperatura do ar que lhe dá origem chama-se temperatura convectiva.
Para se calcular a altura da nebulosidade convectiva, basta observar que a diferença entre os decréscimos das temperaturas do ar e do ponto de orvalho é de 0,8ºC para uma altura constante de 100m. Dividindo-se a altura constante de 100m pela constante 0,8 , obtém-se a constante 125 que, multiplicada pela diferença entre as duas temperaturas, dá-nos a base da nebulosidade convectiva:
h = Altura da base da nebulosidade convectiva
T = Temperatura do ar à superfície.
Td = Tempertura do ponto de orvalho
 RAZÃO ADIABÁTICA ÚMIDA ( RAU) – é o nome do gradiente térmico de uma parcela de ar saturado, que apresenta o valor particular de 0,6ºC/100m. É, na verdade, a variação vertical da temperatura de uma parcela de ar “úmido” que, elevando-se adiabaticamente, já ultrapassou o NCC. É de menor valor porque o calor latente de condensação liberado no processo reaquece a parcela, reduzindo assim o valor do gradiente térmico. Na verdade, a razão adiabática úmida não apresenta um valor tão constante quanto a razão adiabática seca, pois ele varia na razão inversa da temperatura e depende da quantidade de vapor d’água envolvido. Em função disso, pode variar de 0,4ºC até quase 1ºC/100 m, adotando-se um valor médio de 0,6ºC/100m.
Exercício envolvendo RAS e RAU:
Uma parcela de ar é forçada a subir a encosta de uma montanha. A 1500 m torna-se saturada a uma temperatura de 7ºC, produzindo saturação até o topo da montanha, que se encontra a 2500m. Em seguida, desce até a superfície do lado oposto, parando aí o seu movimento. Pode-se calcular:
a temperatura convectiva;
a temperatura no topo da montanha;
a temperatura à superfície do lado oposto ao da ascensão da parcela:
Soluções:
= 7 + ( 1/100 x 1500 ) = 22ºC
= 7 - ( 0,6/100 x 1000 ) = 1ºC
= 1 + ( 1/100 x 2500) = 26ºC
CONDIÇÕES DE EQUILÍBRIO ESTÁVEL, INSTÁVEL E INDIFERENTE
Uma parcela de ar deve ser sempre considerada uma porção de uma camada atmosférica e, como tal, apresentando uma condição de equilíbrio em relação à mesma. Se a referida parcela receber um impulso vertical (para cima ou para baixo), tenderá a sair de sua posição de repouso, devido ao desequilíbrio das forças que sobre ela atuam. Nesse contexto, uma parcela de ar pode apresentar três situações distintas de equilíbrio em relação ao meio:
Equilíbrio indiferente – também chamado de neutro, é aquele no qual a parcela permanece em repouso na nova posição.
Equilíbrio estável ​ - a parcela tende a afundar, retornando à posição original.
Equilíbrio instável – a parcela tende a subir, afastando-se da posição original.
Equilíbrio do ar não saturado (GTV x RAS)
Trata-se de situações relativas a uma parcela que ainda não tenha atingido o NCC. Deve-se comparar o gradiente térmico vertical do ar ambiente com o gradiente de uma parcela nele inserida, que é de 1ºC/100m, como já vimos. São as seguintes as situações possíveis:
Ar indiferente ou neutro – o gradiente térmico vertical do ar ambiente é igual ao gradiente térmico da parcela considerada:
Exemplo: feita uma sondagem num ambiente cuja temperatura convectiva é de 30ºC, verificou-se que, a 2000 m de altura a temperatura é de 10ºC. Uma parcela embebida nesse meio chegará a esse nível também a 10ºC, apresentando, assim, a mesma densidade do ar ambiente e tendendo a permanecer em repouso, caracterizando, desse modo, ar indiferente ou neutro.
b) Ar estável – o gradiente térmico vertical do ar ambiente é menor que o gradiente térmico da parcela considerada.
Exemplo – feita uma sondagem num ambiente cuja temperatura convectiva é de 30ºC, verificou-se que a 2000m de altura a temperatura é de 20ºC. Uma parcela embebida nesse meio chegará a esse nível com 10ºC, apresentando, pois, densidade maior que a do ar ambiente, tendendo a afundar e retornar à posição original, caracterizando ar estável.
c) Ar instável – o gradiente térmico do ar ambiente é maior do que o gradiente térmico da parcela considerada.
							
	Exemplo – feita uma sondagem num ambiente cuja temperatura convectiva é de 30ºC, verificou-se que a 2000m de altura a temperatura é de 0ºC. Uma parcela embebida nesse meio chegará a esse nível com 10ºC, apresentando densidade menor que a do ar ambiente, tendendo, pois, a continuar subindo, afastando-se da sua posição original, caracterizando, assim, ar instável.
	Observa-se que os gradientes térmicos nos exemplos acima são os seguintes:
	exemplo a = 1ºC / 100 m
	exemplo b = 0,5ºC/100m
	exemplo c = 1,5ºC/100m
	Do exposto, depreende-se que:
Em ar estável não há condições para movimentação vertical do ar e este se apresenta calmo ou não turbulento.
Em ar instável há condições para movimentação do ar, apresentando-se este agitado ou turbulento.
 Equilíbrio do ar saturado (GTV x RAU)
Trata-se de situações relativas a uma parcela que já tenha atingido o NCC. Deve-se comparar o gradiente térmico vertical do ar ambiente com o gradiente térmico da parcela (RAU = 0,6ºC/100m). Podem ocorrer as seguintes situações:
a) Ar indiferente ou neutro – o gradiente térmico do ar ambiente é igual ao gradiente térmico da parcela considerada:
b) Ar estável - o gradiente do ar ambiente é menor do que o gradiente da parcela considerada:
c) ar instável – o gradiente térmico do ar ambiente é maior que o gradiente da parcela considerada:
				
 Alguns aspectos relacionados às condições de estabilidade da atmosfera:
Estabilidade geral – visibilidade restrita, névoa úmida, céu claro ou com nebulosidade estratiforme, sem ou com precipitação leve e contínua.
Instabilidade geral – visibilidade boa, salvo quando ocorre precipitaçãotipo pancadas proveniente da nebulosidade cumuliforme sempre presente.
Instabilidade orográfica – nuvens lenticulares e cumulus nas proximidades das montanhas, associadas com ventos fortes ao nível dos respectivos topos.
Instabilidade nos níveis médios – nuvens altocumulus do tipo castellanus.
Instabilidade nos níveis superiores – cirrus uncinus, indicando ventos fortes, cirrocumulus e cirrus spissatus (topo de cumulonimbus).
 Estabilidade condicional do ar – Como foi visto, se uma parcela de ar se eleva adiabaticamente no ar ambiente cujo gradiente térmico seja menor que o seu, o resultado é a presença de ar estável. Imaginemos o valor de 0,8ºC/100m para o referido gradiente. Ao atingir o NCC, a referida parcela passa a apresentar um gradiente térmico menor (0,6ºC/100m), muito embora o gradiente térmico ambiente continue de 0,8ºC/100m. Isso evidencia a presença de ar instável, uma vez que o gradiente térmico do ar ambiente passou a ser maior que o gradiente térmico da parcela considerada. Este tipo de estabilidade do ar, no qual ele permanece estável, enquanto não saturado, passando gradativamente a instável, depois de saturado, denomina-se estabilidade condicional .
Instabilidade mecânica ou absoluta do ar – normalmente a densidade do ar diminui com a altitude, mesmo que haja um gradiente superadiabático. Entretanto, em níveis próximos às superfícies superaquecidas, tem havido evidências de densidade quase constante, o que caracteriza a chamada atmosfera homogênea, cujo gradiente térmico é o autoconvectivo (3,42ºC/100m). Como vimos, essa situação produz instabilidade extrema e automática, isto é, sem o incurso de forças externas como convergência, efeito orográfico, etc., configurando-se na chamada instabilidade mecânica ou absoluta. Esse tipo de instabilidade é responsável pela ocorrência de fenômenos violentos como tornado e tromba d’água. Como o valor teórico mais baixo de temperatura na qual o ar pode apresentar-se em repouso (situação mais ou menos típica de atmosfera homogênea) é –273ºC e como o gradiente autoconvectivo é 3,42ºC/100m, ou 34,2ºC/km, dividindo-se 274 por 34,2, obtém-se aproximadamente 8km, que vem a ser o limite teórico para a ocorrência de tais condições. 
 
Convergência e divergência, afundamento e elevação nos centros de pressão
Normalmente as áreas de altas pressões estão associadas a afundamentos de massas de ar, como resultado da elevação do ar de um centro de baixa. Esse ar que se elevou no centro de baixa pressão é proveniente da divergência de um centro de alta. Desse modo, afundamento e divergência trabalham juntos a uma área de alta, para definirem uma área de estabilidade. Convergência e elevação, por sua vez, trabalham juntas a uma área de baixa, para definirem uma área de instabilidade.
h = ( T – Td ) x 125
GTV = 1ºC/100m ar neutro (GTV = RAS)
GTV < 1ºC/100m ar estável (GTV < RAS)
GTV > 1ºC/100m ar instável (GTV > RAS)
GTV = 0,6ºC/100m ar neutro (GTV = RAU)
GTV < 0,6ºC/100m � ar estável (GTV < RAU)
GTV > 0,6ºC/100m � ar instável (GTV > RAU)
 
 	 	 Afundamento			 Elevação
	 A divergência		 convergência B