DINÂMICA PLANETÁRIA DE TEMPO E CLIMA

As variações no tempo são determinadas basicamente pelos movimentos do ar. Mesmo o clima de uma região é o resultado da persistência de certos tipos de circulações nesse local. O estudo das circulações atmosféricas é feito através do uso das “leis” da termodinâmica e da mecânica clássica desenvolvidas desde a época de Newton (século XVII). Entretanto a aplicação dessas leis não é tão simples como no caso do estudo do movimento de pontos ou corpos sólidos. Afinal, a atmosfera é um gás e não um ponto material, podendo sofrer variações de massa e de volume. Além disso, a terra é uma esfera girante, portanto um sistema “não-inercial”, onde aparecem "forças fictícias” (força de Coriolis, por exemplo), tornando mais difícil o tratamento do problema com a Mecânica Newtoniana.

As escalas de movimento atmosférico

Na atmosfera encontramos diversos tipos de aerossóis e gases que absorvem e emitem radiação em diferentes formas. A absorção ou emissão  de radiação é também diferente para as diferentes superfícies da Terra (solo nú, oceanos ou vegetação) ou posição geográfica e época do ano. O vapor d’água, com suas mudanças de fase e conseqüente liberação de calor latente, faz com que se tenham fontes e sorvedouros de energia que precisam ser considerados quando se estuda os movimentos do ar. As montanhas também influenciam bastante os escoamentos atmosféricos.

Percebe-se então que o problema da circulação atmosférica envolvem muitos fatores, que nem sempre são simples de serem trabalhados. Como forma de simplificar essa quantidade enorme de fatores no estudo das circulações atmosféricas, costuma-se categorizar os diversos sistemas de circulação de acordo com o seu “tamanho”. Na atmosfera podemos praticamente encontrar circulações de qualquer tamanho, desde o microscópio movimento molecular até oscilações com escalas da ordem do perímetro da Terra. Todos esses diferentes tamanhos, ou escalas de movimento, são interdependentes. Assim, por exemplo, a turbulência produzida por uma montanha pode não ocorrer, a menos que exista um vento produzido por uma circulação maior que a própria montanha. Antes de entrarmos em detalhes sobre as causas dos movimentos atmosféricos daremos uma idéia sobre essas escalas de movimentos atmosféricos:

O ar em movimento

A primeira causa para os movimentos do ar (vento) é praticamente a energia solar, num processo de conversão de energia térmica em energia cinética. Inclusive, muitas vezes a atmosfera é estudada como sendo uma “máquina térmica”, como uma caldeira, que transforma energia em trabalho. Na verdade, o aquecimento da atmosfera pela energia solar é feito principalmente de maneira indireta, ou seja,  a superfície da Terra absorve a energia solar, se aquece, transportado para as regiões mais altas da atmosfera pelo movimento vertical do ar (convecção) ou para outras regiões através de transportes verticais (advecção). São, principalmente, as diferenças de absorção da energia solar nas várias regiões da Terra que determinam o movimento do ar. Essas diferenças podem ser provocadas, por exemplo, pelas diferenças de latitude, inclinação do terreno ou diferentes capacidades térmicas do solo.

Quando se estuda o vento em meteorologia costuma-se dividi-lo em suas componentes horizontais (nas direções leste/oeste e norte/sul), e vertical (movimento ascendente e descendente). Embora a componente horizontal do vento ser consideravelmente mais forte que a componente vertical, esta última é responsável pela formação de nuvens e da precipitação.

De acordo com a “Primeira Lei de Newton”, para um corpo (parcela de ar) mudar seu estado de movimento, deve existir um imbalanço entre as forças que atuam sobre esse corpo. Existem basicamente duas classes de forças que afetam a atmosfera: 1- aquelas que existem independente do estado de movimento do ar; e 2- aquelas que aparecem somente após existir movimento. Na primeira categoria estão aquelas provocadas por “campos”, como por exemplo a “força gravitacional”  e a “força do campo de pressão”. Na segunda aparecem como uma reação ao movimento, como por exemplo: a “força de fricção” e a “força de Coriolis”.

As forças que atuam na atmosfera

De todas as forças que atuam na atmosfera, certamente a Força da Gravidade é a mais familiar. A força da gravidade, que faz com que todos os corpos sobre a Terra sejam atraídos pra o centro dela, modifica somente a componente vertical do vento. Sua intensidade, de acordo com a “Segunda Lei de Newton”, é proporcional à massa da parcela de ar, sendo que a constante de proporcionalidade é a aceleração da gravidade (g). O sentido dessa força é sempre de cima para baixo.

O segundo tipo de força é a Força do Gradiente de Pressão, surge devido às variações espaciais (o que chamamos de gradiente) no campo da pressão. O conceito de pressão atmosférica vem da teoria cinética dos gases, e pode ser definida como sendo a força exercida pela colisão das moléculas do ar, em movimentos aleatórios, sobre uma superfície qualquer. No caso da atmosfera a pressão é definida como o peso da coluna de ar sobre unidade de área. A força gravitacional faz com que as moléculas de ar se comprimam nos níveis mais próximos à superfície. A diminuição gradativa da massa do ar quando se vai para os níveis mais altos faz com que o peso, ou seja a pressão, diminua com a altura. A taxa de variação vertical da pressão, isto é, o gradiente vertical da pressão é bem maior que os gradientes horizontais normalmente observados. Entretanto, são esses pequenos gradientes horizontais uma das principais causas (ou força) que provoca o movimento do ar. Quanto maior o gradiente horizontal de pressão, maior será a força do gradiente de pressão e, por conseguinte, a aceleração.

A terceira força observada é a Força de Coriolis. Essa força só aparece após a parcela de ar  entrar em movimento e é devido ao fato de que os ventos (aqui entendido como o movimento do ar em relação à  Terra) são observados em um referencial fico na superfície. Como a terra é um referencial “não inercial”, para um observador na superfície isso vai implicar no aparecimento de uma “força fictícia”, que é a Força de Coriolis.  O efeito da força de Coriolis pode ser entendido de uma maneira simples, imaginando-se um “experimento” em um carrossel. Imagine que em um instante inicial uma bola é lançada do centro do carrossel na direção de um alvo triangular próximo à borda do carrossel. Conforme a bola avança para a borda, o alvo vai se movendo também no sentido da rotação do carrossel. Para um observador que esteja fora do carrossel, a bola vai descrever uma trajetória perfeitamente retilínea, já que o observador está em um referencial inercial, valendo portanto a primeira lei de Newton.  Por outro lado, se o observador estivesse fixo sobre o alvo (isto é, no referencial não inercial) ele veria a bola se desviar para a direita de sua direção de movimento, como e uma “força” estivesse agindo sobre o corpo. Esse experimento pode ser extrapolado de modo que o carrossel seja a Terra. O observador “inercial”, neste caso, estaria exatamente sobre o Polo Norte e fora da Terra. O observador “não-inercial” estaria fixo sobre a superfície da Terra. A “bola” seria uma parcela de ar movendo do Polo Norte em direção ao equador. Com um pouco de abstração pode-se perceber que quanto maior for a velocidade da parcela, maior será a “força aparente”. Portanto entendemos que a Força de Coriolis, no hemisfério Norte, que possui um giro anti-horário, a Força de Coriolis age sempre no sentido de desviar o movimento para a direita. No caso do hemisfério Sul, a Força de Coriolis age no sentido de desviar o movimento  para a esquerda.

A útlima força a ser estudada aqui é a Força de Atrito. Esse tipo de força é também familiar a todos nós, e aparece após o movimento das parcelas de ar. Essa força faz com que um corpo em movimento e em contato com uma superfície pare após um certo tempo, através do atrito do corpo com as rugosidades da superfície.  Esta força só é  importante nas primeiras centenas de metros da atmosfera, próximo à superfície e depende da velocidade das parcelas de ar, das características da superfície (rugosidade), e do gradiente vertical de temperatura.

Fazendo-se um resumo de todas as forças, temos que:

Circulação geral da atmosfera

A circulação do ar na escala global é composta de um complexo  conjunto de sistemas de ventos e pressão. Antes de entrarmos na discussão das características observadas da circulação geral da atmosfera, é conveniente utilizarmos um modelo idealizado da Terra.

Vamos considerar inicialmente que a Terra está parada (sem rotação), e que a superfície é toda homogênea.  A energia solar, por unidade de área, absorvida na região equatorial é maior do que a absorvida nas regiões polares. O ar equatorial, em contato com superfície irá então se aquecer mais nessa região do que nos pólos. O ar equatorial torna-se mais “leve” e portanto sobe, enquanto o ar das regiões polares, mas frio e pesado, desce. Por uma questão de continuidade de massa, estabelece-se então uma “célula de circulação”: o ar na superfície, que vem dos pólos, sobe para os altos níveis no equador, retorna aos pólos em altos níveis, e desce nessas regiões, fechando assim a circulação da célula. Essa circulação deve-se ao gradiente de pressão entre os pólos e o equador, num mecanismo semelhante ao da brisa.

Vamos agora permitir que a Terra adquira um movimento de rotação. Pelo efeito da força de Coriolis, os ventos em superfície, que sopravam de norte no Hemisfério Norte irão se transformar agora em ventos de nordeste, enquanto que no Hemisfério Sul, que vinham de sul, irão se transformar em ventos de sudeste. Circulações no sentido inverso (sudoeste no Hemisfério Norte e noroeste no Hemisfério Sul) deverão ocorrer nos níveis superiores de nossa Terra hipotética.

Por outro lado, neste ponto, os ventos em superfície tem um direção oposta à da rotação da Terra. Pelo efeito da força de fricção, seria de se esperar que  esse atrito fosse “diminuindo” a velocidade de rotação da Terra com o tempo. Mas a velocidade de rotação da Terra é constante, ou seja, não se observa essa diminuição. Para satisfazer esse fato, houvesse o anulamento dessa força de atrito, existindo assim ventos de oeste que se anulariam a força de atrito dos ventos de leste. Os ventos na superfície serão:

  1. de nordeste, entre cerca de 30°N e o equador, e de sudeste entre 30°S (os quais existem e chamam-se “ventos alíseos”);

  2. de sudoeste entre 30°N e 60°N, e no noroeste entre 30°S e 60°S (os quais existem e chamam-se “ventos de oeste”);

  3. de noroeste entre 60°N e 90°N, e de sudeste entre 60°S e 90°S (os quais existem e chamam-se “ventos polares”);

Como a convergência e divergência dos ventos na superfície estão ligados à regiões de baixa e alta pressão, respectivamente, é de se esperar uma faixa de baixa pressão na região equatorial e em latitudes médias (~60°), e faixas de alta pressão em latitudes subtropicais (~30°) e polares. Essas regiões existem. A região de convergência dos alíseos  na região equatorial é chamada “Zona de Convergência Inter-Tropical”(ZCIT).  As regiões de alta pressão 30°N e 30°S , chamada “latitude dos cavalos”, possuem ventos calmos.  As regiões de baixa pressão 60°N e 60°S, são locais onde ocorre o encontro de massas de ar quente e úmido proveniente das regiões subtropicais, com o ar firo e seco das regiões polares, o que forma as conhecidas frentes frias e quentes e ciclones.

Analisando essa atmosfera descrita numa seção vertical, observamos o aparecimento de 3 pares de Células de Circulação, na escala global:

  1. Célula de Hadley (entre 0° e 30°);

  2. Célula de Ferrel (entre 30° e 60°); e

  3. Célula Polar (ente 60° e 90°).