Movimento vertical na atmosfera



Acredito que é mais fácil compreendermos o vento horizontal, aquele que sopra de acordo com as direções da rosa dos ventos.

No entanto, o ar também se move verticalmente na atmosfera. E também podemos chamar isso de vento ou de movimento vertical na atmosfera. Isso é fácil de ilustrar quando pensamos no movimento vertical das parcelas de ar durante o processo de convecção, que formam as nuvens de tempestade.

Um balão de ar quente subindo em um lindo céu azul. Um otimo exemplo de parcela de ar em ascensão. No post, vamos falar sobre movimentos verticais na atmosfera. A figura é uma cortesia de Shutterstock.

Vamos imaginar uma parcela de ar com temperatura e pressão uniformes. Essa parcela pode mudar suas propriedades com o tempo, absorvendo ou perdendo calor, por exemplo. Se a pressão do ambiente em torno da parcela de ar mudar, a pressão da parcela muda também, mas se não houver trocar de calor com o ambiente, ela vai se comportar de maneira diferente de seu entorno.

Muitos padrões meteorológicos e climáticos começam com o ar ascendente. De acordo com a Lei dos Gases Ideais, se um pacote de ar permanece em uma pressão constante, aumentando sua temperatura fará com que ele se expanda e se torne menos denso. Contrariamente à crença popular, no entanto, o ar não sobe simplesmente porque é quente. Pelo contrário, o ar que se aquece mais do que o seu ambiente – por exemplo, se é aquecido pelo calor irradiado da superfície da Terra – torna-se flutuante e flutua no ar mais frio e mais denso, da mesma forma que o óleo flutua sobre a água. Este movimento flutuante é chamado de convecção.

Leia mais sobre convecção nesse post.

A água também é um fator-chave, meteorologicamente e climatologicamente falando {x}. De 2%-4% da atmosfera consiste tipicamente em vapor de água. As previsões meteorológicas geralmente relatam a umidade relativa, que compara a quantidade de vapor de água no ar com a quantidade máxima que o ar pode manter a essa temperatura.

A água é tão importante, que falamos sobre esse assunto em diversos posts aqui no blog. Vou destacar 3 deles que podem complementar-se com o post atual:

Quando a umidade relativa atinge 100%, o ar atingiu a pressão de saturação e não pode mais “suportar” vapor de água (nem mais um pouquinho!). Os altos níveis de umidade fazem com que as pessoas se sintam desconfortáveis, porque pouco ou nenhum suor pode evaporar e extrair calor de sua pele. Aposto que você já se sentiu desconfortável em um dia muito úmido e de muito calor, sensação muito comum aos moradores da Região Norte, por exemplo.

À medida que o ar aquece, a quantidade de vapor de água que ele pode armazenar aumenta exponencialmente. Consequentemente, as concentrações atmosféricas de vapor de água são mais altas nas regiões quentes e diminuem em direção aos pólo. Nesse post, mostrei uma figura que mostra a distribuição de vapor d’água pelo globo e mostrei outra figura com a mesma informação nesse outro post mais recente e que inclusive vou reproduzir aqui:

Distribuição média de vapor d’água na atmosfera (água precipitável). Média de 1988-1999. Observem como os trópicos contam com uma maior quantidade de vapor d’água na atmosfera. Fonte: Cooperative Institute for Research in the Atmosphere, Colorado State University.

Observe justamente a maior concentração de vapor d’água na faixa mais quente do planeta (trópicos) e a menor concentração em direção aos pólos. Observe também importantes regiões secas do planeta (o Deserto do Saara, o Deserto do Kalahari e a região da Patagônia, por exemplo) que ficam relativamente próximos dos trópicos, porém são secos. Isso tem um pouco a ver com a Latitude dos Cavalos, assunto que discutimos nesse post, mas posso futuramente falar novamente a respeito disso, esmiuçando mais.

O vapor de água atmosférico contribui para os padrões climáticos e meteorológicos de várias maneiras. Em primeiro lugar, a adição de vapor de água ao ar reduz a sua densidade, de modo a adicionar umidade ao ar seco pode torná-lo flutuante e subir. Em segundo lugar, o ar úmido carrega energia latente (calor latente), o potencial de condensação do vapor de água para aquecer o ar.

A água líquida absorve energia quando se evapora, de modo que quando este vapor de água se condensa, a energia é liberada e aquece o ambiente circundante. Furacões e tempestades extraem energia da liberação do calor latente. Em outras palavras, a energia para alimentar furacões e tempestades vem da liberação do calor latente.

O ponto de orvalho, outra variável meteorológica muito importante,  denota a temperatura a que o ar teria que esfriar para atingir 100% de umidade relativa. Quando um pacote de ar esfria até seu ponto de orvalho, o vapor de água começa a condensar-se e a formar gotículas de nuvem ou cristais de gelo, que podem finalmente crescer o suficiente para cair como chuva ou neve. Quando uma parcela de ar ascendente se expande, empurra a atmosfera circundante e, ao fazer esse trabalho, gasta energia. Se o calor não for adicionado ou removido à medida que essa parcela de ar hipotética se move – um cenário chamado processo adiabático – a única fonte de energia é o movimento de moléculas na parcela de ar e, portanto, o pacote esfriará à medida que ele sobe. Na troposfera, a temperatura cai 6,5 ° C em média a cada quilômetro de altitude e a real diminuição em condições reais, que pode variar de região para região, é chamada de taxa de lapse rate, que é o gradiente vertical de temperatura).

Uma parcela de ar seco (um cuja umidade relativa é menor do que 100%) esfria 9.8 ° C a cada quilômetro que sobe, uma diminuição constante chamada lapse rate adiabático seco. No entanto, se a parcela esfria suficientemente que a sua umidade relativa atinge 100 por cento, a água começa a condensar e formar nuvem gotículas. Este processo de condensação libera calor latente na parcela, de modo que o pacote esfria a uma taxa mais baixa à medida que se move para cima, chamado de lapse rate adiabático úmido.

As condições atmosféricas podem ser estáveis ​​ou instáveis, dependendo de quão rapidamente a temperatura do ambiente diminui com a altitude. Uma atmosfera instável é mais propensa a produzir nuvens e tempestades do que uma atmosfera estável. Se a temperatura atmosférica decrescer com a altitude mais rapidamente do que o lapse rate adiabático seco (ou seja, mais de 9,8 ° C por quilômetro), a atmosfera é instável e em um cenário assim, as massas de ar em ascensão serão mais quentes e menos densas do que  ar circundante. Assim, continuarão a subir e formar nuvens que poderão gerar tempestades.

Por outro lado, se a temperatura cair mais gradualmente com a altitude do que o lapse rate adiabático seco, porém mais acentuadamente do que a lapse rate adiabático úmido, a atmosfera é condicionalmente instável. Neste caso, as massas de ar podem subir e formar nuvens se elas conterem bastante vapor de água para aquecê-las à medida que se expandem, mas elas têm de obter um impulso bastante forte para cima para iniciar o processo de condensação. Esse impulso pode ser por exemplo uma barreira orográfica.

Se a temperatura cair com a altitude mais lentamente do que o lapse rate adiabático úmido, a atmosfera é estável: as parcelas de ar ascendentes se tornarão mais frias e densas do que a atmosfera circundante e descerão de volta para onde elas começaram. E situações assim, nuvens de tempestade não se formam.

Quando existe instabilidade condicional, as parcelas de ar são estáveis ​​se estiverem secas e instáveis ​​se estiverem saturadas. Fonte: Annenberg Learner

A convecção não é o único processo que eleva o ar de baixas para altitudes mais elevadas. Quando uma parcela de ar sobe uma montanha, o ar esfria, muitas vezes formando nuvens sobre encostas de barlavento. A convergência ocorre quando há o encontro de duas massas de ar e e no encontro, o ar é forçado a subir. Convergência é o processo que acontece muitas vezes nos trópicos (Zona de Convergência Intertropical) e em condições de verão quente em latitudes médias, o que pode gerar tempestades. E quando as massas de ar quente e frio se chocam, o ar frio mais denso desliza sob a camada de ar quente e eleva-o. Em cada caso, se o ar quente é elevado o suficiente para atingir seu ponto de orvalho, formam-se nuvens. Cada um desses processos foi explicado nesse post e sintetizado na figura a seguir:

Como uma nuvem pode se formar?Adaptado de AHRENS, C.D.: Meteorology Today 9th Edition

As nuvens são fatores importantes no balanço energético da Terra. Seu impacto líquido é difícil de medir e modelar porque diferentes tipos de nuvens têm impactos diferentes sobre o clima. As nuvens de baixa altitude emitem e absorvem a radiação infravermelha da mesma forma que o solo, de modo que são aproximadamente a mesma temperatura que a superfície da Terra e, portanto, não aumentam as temperaturas atmosféricas. No entanto, eles têm um efeito de resfriamento, porque refletem uma parte da radiação solar de entrada para o espaço, aumentando albedo da Terra e reduzindo a entrada total de energia solar para a superfície do planeta.

Em contraste, as nuvens de alta altitude tendem a ser mais finas, então elas não refletem níveis significativos de radiação solar recebida. No entanto, uma vez que eles residem em uma área maior, elas podem absorver a radiação térmica (radiação terrestre emitida) de maneira eficiente e aquecer a atmosfera, irradiando o calor de volta à superfície.

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