Introdução às Ciências Atmosféricas - Aula5

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Instabilidade Atmosférica
Leonardo F. Peres
leonardo.peres@igeo.ufrj.br
METEOROLOGIA GERAL
1. Introdução
� Importância das Nuvens:
� Liberação de calor quando se formam
�Balanço de energia – reflexão/absorção 
da radiação solar (visível) e absorção da 
radiação terrestre (infravermelho)
�Ciclo hidrológico – precipitação
�Ajudam a saber o que aconteceu, o que 
está acontecendo e o que acontecerá
1. Introdução
� Sabemos que muitas nuvens se formam quando o ar 
sobe se expandindo e se resfriando.
� Por que o ar sobe em algumas ocasiões e em outras 
não? Por que e como em alguns dias há formação de 
nuvens e em outros não?
� Por que o tamanho e a forma das nuvens varia tanto 
quando o ar sobe? Por que em algumas vezes a 
atmosfera produz nuvens stratus e em outras produz 
nuvens cumulus e cumulonimbus?
� Isso está ligado ao conceito de estabilidade 
atmosférica
2. Estabilidade Atmosférica
� Aplicando o mesmo conceito na atmosfera:
� O ar estará em equilíbrio estável quando, sendo 
levantado ou abaixado de um ponto, tende a 
retornar a sua posição original.
� O ar estará em equilíbrio instável, quando 
ligeiramente empurrado verticalmente, se move 
para mais longe de sua posição original, 
favorecendo assim as correntes verticais de ar.
� Mas como determinar se o ar está estável ou 
instável?
2. Estabilidade Atmosférica
� Para determinar quando uma parcela de ar 
irá subir ou descer, é necessário comparar 
a temperatura de uma parcela de ar (Tp) 
com a temperatura do ambiente (Te) a 
uma certa altitude:
� Se Tp > Te, a parcela de ar irá? 
� Se Tp = Te a parcela de ar irá?
� Se Tp < Te a parcela de ar irá?
2. Estabilidade Atmosférica
2. Estabilidade Atmosférica
� Portanto, para se determinar a estabilidade, quais são as duas 
peças de informações que precisamos? Precisamos saber o 
perfil vertical da temperatura do ambiente (Te) e o perfil vertical 
da temperatura da parcela de ar (Tp).
� Perfis verticais da temperatura atmosférica/temperatura do 
ambiente (Te) são coletados normalmente as 12 UTC todos os 
dias em estações específicas determinadas pelos serviços 
nacionais de meteorologia pelo lançamento de balões de 
radiossonda
2. Estabilidade Atmosférica
� Perfil vertical da temperatura do ambiente 
(Te)
� Variação da temperatura com a vertical no ar 
em repouso
� Varia sempre, de lugar para lugar, de dia para 
dia
2. Estabilidade Atmosférica
� Determinando a Temperatura da Parcela de Ar –
Resfriamento/Aquecimento Adiabático
� A medida que a parcela de ar sobe, ela irá se expandir e 
resfriar adiabaticamente
� Adiabático – um processo onde a temperatura da parcela 
muda devido a uma expansão ou compressão, nenhum 
calor é adicionado ou retirado da parcela
� A parcela expande porque uma pressão mais baixa do lado 
de fora permite que as moléculas de ar empurrem as paredes 
da parcela para fora
� Isto tira energia das moléculas de ar, elas usam alguma de 
sua energia interna neste processo
� Portanto, a parcela também resfria visto que a a temperatura 
é proporcional a energia interna molecular
2. Estabilidade Atmosférica
� Determinando a Temperatura da Parcela de Ar –
Resfriamento/Aquecimento Adiabático
2. Estabilidade Atmosférica
� Determinando a Temperatura da Parcela de Ar –
Resfriamento/Aquecimento Adiabático
� 1 Lei da Termodinâmica – Conservação de Energia - ∆U = Q 
+ W, onde ∆U – variação da energia interna, Q – calor, W –
trabalho
� Adiabático – não há troca de calor com o meio (Q = 0), de 
forma que ∆U = W.
� Como, numa expansão, o trabalho é negativo (o sistema 
perde energia), a sua energia interna diminui e 
consequentemente a sua temperatura. Numa compressão, 
por outro lado, a temperatura aumenta.
2. Estabilidade Atmosférica
� Determinando a Temperatura da Parcela de Ar –
Resfriamento/Aquecimento Adiabático
� Pela definição, um processo adiabático não envolve nenhum fluxo 
de calor, ou seja, não ocorre troca de energia nem por radiação, 
nem por condução, nem por convecção. 
� Alguns processos podem ser considerados adiabáticos quando
� 1. são tão rápidos que não há, praticamente, tempo para a troca de 
calor. Isso ocorre, por exemplo, quando o ar se comprime (num 
compressor, numa bomba manual) e, como conseqüência, é
aquecido. Contrariamente, um botijão de gás que é esvaziado 
rapidamente, congela; o ar numa garrafa de refrigerante apresenta 
uma névoa logo após abertura: o ar expandiu, esfriou e o vapor de 
água condensou em conseqüência.
� 2. envolvem volumes de matéria tão grandes que a interface com o 
meio é relativamente pequena, não dando, praticamente, 
oportunidade para troca de calor. Esse é o caso, por exemplo, 
quando grandes massas de ar sobem ou descem na atmosfera 
terrestre, resultando em variações de pressão e de temperatura.
2. Estabilidade Atmosférica
� Determinando a Temperatura da Parcela de Ar –
Resfriamento/Aquecimento Adiabático
� A medida que a parcela de ar desce, ela irá comprimir e 
aquecer adiabaticamente
� A parcela comprime porque ela está se movendo para uma 
região onde a pressão externa é mais alta
� Devido a compressão da parcela, as moléculas de ar 
ganham energia interna, Portanto, a temperatura da parcela 
aumenta
2. Estabilidade Atmosférica
� Determinando a Temperatura da Parcela 
de Ar – Resfriamento/Aquecimento 
Adiabático
� A medida que uma parcela sobe, ela se resfria, mas a 
que taxa???
� A taxa de mudança de temperatura com a altura é
chamada de taxa de variação (lapse rate)
� A unidade da taxa de variação é °C /km
2. Estabilidade Atmosférica
� Determinando a Temperatura da Parcela de Ar –
Resfriamento/Aquecimento Adiabático
� Vamos primeiro considerar uma parcela de ar não 
saturado (UR<100%)
� taxa de aquecimento e de resfriamento se mantém 
constante em 10C/1 Km
� Taxa a a só se aplica para ar não saturado
� taxa adiabática seca ou gradiente adiabático 
seco
� Ar seco para nós é ar não saturado
� gradiente adiabático seco é um valor teórico de 
referência
2. Estabilidade Atmosférica
� Determinando a Temperatura da Parcela de Ar –
Resfriamento/Aquecimento Adiabático
2. Estabilidade Atmosférica
� Determinando a Temperatura da Parcela de Ar –
Resfriamento/Aquecimento Adiabático
� Qual será a temperatura da parcela em 1km?
� Qual será a temperatura da parcela em 2km?
2. Estabilidade Atmosférica
� Determinando a Temperatura da Parcela 
de Ar – Resfriamento/Aquecimento 
Adiabático
� Para uma parcela de ar saturada, isto é
UR=100% e Tp=Td (temperatura da parcela 
de ar igual a temperatura do ponto de 
orvalho), ela se resfria a uma taxa chamada 
de taxa adiabática úmida ou gradiente 
adiabático úmido/saturado, que é de 
6C/Km
2. Estabilidade Atmosférica
� Determinando a Temperatura da Parcela de Ar –
Resfriamento/Aquecimento Adiabático
� Qual será a temperatura da parcela em 3km?
� Qual será a temperatura da parcela em 4km?
2. Estabilidade Atmosférica
� Determinando a Temperatura da Parcela de Ar –
Resfriamento/Aquecimento Adiabático
� Por que a parcela de ar resfria a uma taxa mais 
lenta (6 °C km-1) quando ela está saturada do que 
quando não está saturada (10°C km-1)???
2. Estabilidade Atmosférica
� Determinando a Temperatura da Parcela de Ar –
Resfriamento/Aquecimento Adiabático
� Se o ar está saturado e continuar a subir, a 
temperatura acaba atingindo o ponto de orvalho, 
haverá condensação e liberação de calor latente 
com conseqüente atenuação da taxa de 
resfriamento na parcela.
� Parcela saturada contendo gotículas líquidas que 
desce na atmosfera, será comprimida e aquecida, 
havendo evaporação com esfriamento que se 
contrapõe ao aquecimento devido a compressão.
2. EstabilidadeAtmosférica
� Determinando a Temperatura da Parcela de Ar –
Resfriamento/Aquecimento Adiabático
� taxa adiabática úmida ou gradiente adiabático 
úmido/saturado, que é de 6C/Km
� Varia bastante, pois é função da quantidade de 
água
� Um ar mais quente saturado possui mas vapor 
d’água que um ar frio saturado
2. Estabilidade Atmosférica
�Determinando a Estabilidade 
Atmosférica
�Comparação entre:
�A temperatura do ambiente (Te) a uma 
certa altitude (obtido com radiossonda) -
Varia sempre, de lugar para lugar, de dia 
para dia
�Gradientes adiabáticos seco e úmido 
(valores teóricos de referência)
2. Estabilidade Atmosférica
�Determinando a Estabilidade 
Atmosférica
�Absolutamente Estável
�Absolutamente Instável
�Condicionalmente Instável
2. Estabilidade Atmosférica
�Absolutamente Estável
2. Estabilidade Atmosférica
�Absolutamente Estável
2. Estabilidade Atmosférica
�Absolutamente Estável
�Ge < Gau < Gas
�Gas =Gradiente adiabático seco
�Gau =Gradiente adiabático úmido
�Ge =Gradiente do ambiente
2. Estabilidade Atmosférica
�Absolutamente Estável
� Ar resiste ao movimento vertical ascendente. 
Se forçado a subir irá se espalhar 
horizontalmente;
� Formação de nuvens de camadas finas com 
topos planos: Cirrostratus, altostratus, 
nimbostratus e stratus;
2. Estabilidade Atmosférica
� Condições para a estabilidade:
� Gradiente do ambiente é pequeno – diferença 
de T entre o ar abaixo e acima é pequena;
� Estabiliza quando o ar acima esquenta ou 
quando o ar próximo a superfície resfria:
� substituição do ar acima por ar mais quente 
(advecção quente).
� Resfriamento do ar mais abaixo pelo resfriamento 
radiativo noturno, adveção fria e movimento do ar 
sobre uma superfície fria. 
2. Estabilidade Atmosférica
�Absolutamente Instável
2. Estabilidade Atmosférica
�Absolutamente Instável
2. Estabilidade Atmosférica
Fogos florestais aquecem o ar 
causando instabilidade próximo 
a superfície
�Absolutamente Instável
�Ge > Gas > Gau
�Gas =Gradiente adiabático seco
�Gau =Gradiente adiabático úmido
�Ge =Gradiente do ambiente
2. Estabilidade Atmosférica
� Absolutamente Instável
� Dificilmente profundas camadas da atmosfera 
são absolutamente instáveis.
� Normalmente limitada a uma camada bem rasa 
próxima a superfície em dias quentes.
� Convecção se torna espontânea.
2. Estabilidade Atmosférica
�Condicionalmente Instável
2. Estabilidade Atmosférica
Condicionalmente instável
A atmosfera é estável se o 
ar que sobe não está
saturado
�Condicionalmente Instável
�Gas > Ge > Gau
�Gas =Gradiente adiabático seco
�Gau =Gradiente adiabático úmido
�Ge =Gradiente do ambiente
2. Estabilidade Atmosférica
�Causas de Instabilidade
� Gradiente do ambiente é grande – diferença 
de T entre o ar abaixo e acima é alta;
� Desestabiliza quando o ar acima resfria ou 
quando o ar próximo a superfície esquenta:
� Resfriamento ar acima: 1) vento traz ar mais frio 
(advecção fria), 2) Nuvens ou o ar emitindo 
radiação infravermelha para o espaço.
� Aquecimento do ar mais abaixo: 1) aquecimento 
diurno da superfície, 2) advecção quente, 3) 
movimento do ar sobre uma superfície quente. 
2. Estabilidade Atmosférica
�Estabilidade
� Muda durante o curso do dia
2. Estabilidade Atmosférica
� Nível de Convecção Livre (exemplo condicionalmente instável) 
� O nível da atmosfera onde uma parcela de ar, após 
ser levantada, se torna mais quente que o ar do 
ambiente. Esta parcela de ar pode portanto subir por 
conta própria e a atmosfera é instável
2. Estabilidade Atmosférica
� Determinando a estabilidade
� Para determinar a estabilidade, é preciso calcular a taxa de 
variação do ambiente utilizando uma sondagem
� taxa de variação = DT/DZ = T2-T1/Z2-Z1 
2. Estabilidade Atmosférica
� Determinando a estabilidade
� Camada 1, 2, 3, 4, 5 e 6?
2. Estabilidade Atmosférica
3. Desenvolvimento de Nuvens
3. Desenvolvimento de Nuvens
3. Desenvolvimento de Nuvens
3. Desenvolvimento de Nuvens
� Nuvens e Topografia
� Na base da montanha: T=20C e Td=12C
� Atmosfera condicionalmente estável (8C/km)
� Temperatura decresce primeiro de acordo com o gradiente adiabático 
seco (10C/km) e a temperatura do ponto de orvalho decresce com uma 
taxa de 2C/km
3. Desenvolvimento de Nuvens
� Nuvens e Topografia
� Quando T=Td, o ar se torna saturado (1000m) e este ponto é chamado de 
nível de condensação
� Temperatura e temperatura do ponto de orvalho decrescem de acordo 
com o gradiente adiabático úmido (6C/km)
3. Desenvolvimento de Nuvens
� Nuvens e Topografia
� No topo T=Td=-2C, maior que a temperatura do ambiente (-4C). A 
parcela de ar é portanto instável e continuaria a subir.
� Suponha que este ar seja forçado a descer a base da montanha e que a 
nuvem permaneça no outro lado.
� A temperatura do ar que desce aumenta de acordo com o gradiente 
adiabático seco (10C/km) e Td a 2C/km
3. Desenvolvimento de Nuvens
� Nuvens e Topografia
� Na base T=28C e Td=4C. A temperatura é maior no lado direito como 
resultado do calor latente sendo convertido em calor sensível durante a 
condensação que ocorre no lado esquerdo. Se não houvesse 
condensação a temperatura no topo seria bem menor que -2C ( -10C).
� A menor temperatura de ponto de orvalho (portanto um ar mais seco) é
resultado da condensação do vapor d’água. Posteriormente este vapor 
permanece do lado esquerdo em forma líquida como gotas de nuvem e 
precipitação