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Inversão em ar úmido Foto: © Bernhard Mühr

Estabilidade Atmosférica

Quando uma parcela de ar ascende, ele move-se numa região aonde a pressão atmosférica é mais baixa. Esta situação permite as moléculas do ar interior empurrar para fora contra as paredes da parcela e expandirem-se. Assim que a parcela expande-se, o ar interior resfria-se. Se a mesma parcela do ar retorna para a superfície, o aumento da pressão atmosférica ao redor da parcela comprime ao seu volume original, e o ar interior aquece. Se uma parcela do ar expande-se e resfria-se ou comprime-se e aquece sem transferência de calor com seu arredores, a situação é chamada de processo adiabático. Se o ar na parcela não está saturado (a umidade relativa sendo menos de 100 porcento), a taxa de resfriamento ou aquecimento adiabático permanece constante de 10°C por 1000 metros de altitude. Esta taxa chamada de taxa adiabática seca é aplicável somente para resfriamento ou aquecimento em ar seco.

Assim que o ar ascende e resfria, sua umidade relativa aumenta com a aproximação da temperatura ao ponto de orvalho. Se o ar resfria-se para ao ponto de orvalho, a umidade relativa torna-se 100 porcento. Levantamento adicional resulta em condensação, desenvolvimento de nuvem, e a liberação de calor latente no ar ascendente. Porque o calor adicionado durante condensação compensa por parte do resfriamento devido a expansão, o ar resfria-se numa taxa menor chamada de taxa adiabática saturada. Se uma parcela saturada com gotículas de água descende, ela seria comprimida e aquecida na taxa adiabática saturada porque a evaporação das gotículas líquidas compensariam pela taxa de aquecimento devido a compressão. Consequentemente, a taxa adiabática saturada é menor que a taxa adiabática seca.

A taxa adiabática saturada não é constante, mas varia significamente com temperatura e também umidade, porque ar quente saturado produz mais água do que ar frio saturado. A condensação adicionada em ar quente saturado libera mais calor latente. Dessa forma, a taxa adiabática saturada é menor do que a taxa adiabática seca quando o ar levantado é bastante quente. As taxas são quase as mesmas quando o ar levantado é muito frio. Uma média de 6°C por 1000 metros é usada para a maioria dos exemplos básicos.

Determindando Estabilidade

A estabilidade do ar é determinado pela comparação de uma parcela ascendente com seu arredores. Se o ar ascendente é mais frio do seu ambiente, seria mais denso ou pesado e tende desce para seu nível original. Neste caso, o ar é estável porque ele resiste deslocando para cima. Se o ar ascendente é mais quente e menos denso ou mais leve ao seu redor, ele continuara à ascender até sua temperatura é o mesmo com seu ambiente. Neste caso, o ar é instável. Para determinar a estabilidade do ar, precisamos medir a temperatura do ar ascendente e seu ambiente em vários níveis acima da Terra. O lapso ambiental é a taxa medida que a temperatura do ar muda com altitude.

Se uma parcela do ar ascendente é mais frio do que seu arredores, a atmosfera é absolutamente instável. Neste caso, a parcela do ar levantado para cima é mais frio, e pesado do que seu ambiente. Esta parcela seria uma tendencia para retornar à sua posição original. Porque o ar estável resiste com vigoroso movimento ascendente, este ar tende a espalhar-se horizontalmente em camadas relativamente finas. Nuvens que se formam neste ar ascendente também espalham-se horizontalmente em camadas finas normalmente com topos e bases planos, como nuvens cirrostratus, altostratus, nimbostratus ou stratus.

Atmosfera Absolutamente Estável

Atmosfera Absolutamente Instável

O ar na superfície geralmente aquece durante o dia e torna-se mais instável. Este fenômeno pode causar o desenvolvimento de nuvens cumulus num dia úmido de verão.

O ar que ascende resfria-se até a temperatura chegar ao ponto de orvalho. Neste nível, o ar é saturado e a umidade relativa de 100 porcento. O levantamento adicional resulta em condensação e o desenvolvimento de uma nuvem. Uma atmosfera condicionalmente instável existe quando o ar não saturado é levantado para cima até um nível aonde torna-se saturado, resultando em instabilidade.

Processos de Levantamento

A maioria das nuvens formam-se assim que o ar ascende, expande-se e resfria-se. Os mecanismos responsáveis para o desenvolvimento das nuvens são:

1. aquecimento superficial e convecção livre
2. levantamento orográfico
3. convergencia superficial
4. levantamento frontal

Convecção

Várias áreas da supferfície da Terra absorvem mais raios solares e consequentemente aquecem mais rápido. O ar em contato com estas áreas torna-se mais quente do que seu arredores. Um termal de ar quente pode ascender e resfriar adiabaticamente até seu ponto de saturação para formar uma nuven cumulus. O ar ao redor da nuvem descende por causa de evaporação nas extremidades da nuvem que resfria este ar e também porque termina a corrente de convecção do termal. O ar fresco descende para substituir o ar quente ascendente. Normalmente, existe uma área grande de céu claro ao redor das nuvens cumulus pequenas porque o ar descendente inibe o crescimento das nuvens em baixo dele.

Convecção

Levantamento Orográfico

Nuvens cumulus em crescimento sombrea a supferfície do Sol. Esta situação inibe aquecimento superficial e convecção ascendente. A nuvem começa a se dissipar por causa de evaporação sem um fornecimento contínuo de ar ascendente. Esta nuvem tem extremidades indistintas com fragmentos ao redor. Assim que a nuvem dissipa-se ou move-se com o vento, inicia novamente aquecimento superficial e um novo termal que forma uma nuvem. Por isso, nuvens cumulus frequentemente formam, dissipam e formam novamente no mesmo ponto.

A estabilidade do ar é muito importante em determinar o crescimento vertical das nuvens cumulus. Se uma camada estável existe próximo ao topo da nuvem, como uma inversão, a nuvem teria dificuldade a ascender mais e permanecer uma nuvem cumulus de tempo bom. Contudo, se existe uma funda camada instável ou condicionalmente instável acima da nuvem, então a nuvem pode desenvolver verticalmente numa cumulus congestus elevado. Este tipo de nuvem pode cresce numa cumulonimbus quando o ar instável é fundo de alguns quilômetros.

Levantamento Orográfico

Levantamento orográfico resulta quando o ar se levanta sobre um obstáculo topográfico como montanhas. O levantamento do ar produz resfriamento adiabático, nuvens orográficas e precipitação se o ar é suficientemente úmido. A maioria das localidades mundiais mais chuvosas são nas áreas do lado barlavento das montanhas. O desenvolvimento de nuvens e precipitação por causa de levantamento orográfico removem umidade no ar. As montanhas também removem umidade adicional de outras maneiras. Elas desaceleram o fluxo horizontal do ar, causando convergencia e retardam a passagem de sistemas de tempestade. A topografia irregular das montanhas acentua o aquecimento diferencial que causa levantamento convectivo. Estes efeitos juntos são responsáveis para a precipitação elevada associada com regiões montanhosas em comparação com planíces ao redor.

Convergencia Superficial

Levantamento Frontal

O ar na supferfície no lado de sortavento (da direção contra o vento) é consideralvelmente mais quente do que quando este ar estava no lado de barlavento (da direção do vento). A temperatura elevada no lado de sortavento é devido ao calor latente convertido em calor perceptível durante condensação no lado de barlavento. Isto causa o ar ascendente no topo da montanha ser mais quente se a condensação não tivesse ocorrida. A maior parte da umidade é removida do ar que atinge o lado de sortavento da montanha. Se este ar seco desce, ele aquece adiabaticamente, inibindo condensação e precipitação. Esta situação pode causar a formação de um deserto de tipo sombra de chuva na base do lado de sortavento da montanha. Exemplos destes desertos são o Deserto Gobi de Mongolia, o Takla Makan em China, e o Deserto Patagonia em Argentina.

Convergencia Superficial

A convergencia superficial do ar causa levantamento e resulta em resfriamento adiabático e a formação das nuvens. Um exemplo desta situação é a península de Florida nos Estados Unidos. Em dias quentes, o ar flui do oceano para a terra ao longo das costas da Florida. Esta situação resulta em convergencia geral sobre a península. Este padrão de movimento de ar e o levantamento é ajudado por intenso aquecimento solar. Este resulta na maior frequencia de trovoadas a tarde nos Estados Unidos. Convergencia é a maior contribuidora de tempos prejudiciais associados com ciclones de latitudes médias e furacões.

Levantamento Frontal

O levantamento frontal resulta quando massas de ar colidem e produzem frentes. Nestas frentes, o ar quente de menas densidade ascende sobre o ar frio mais pesado. Levantamento frontal é muito importante na formação de nuvens, especialmente nas latitudes médias. A estabilidade do ar nas frentes determina os tipos das nuvens e a quantidade de precipitação antecipada. Frentes são também responsáveis para ciclones de latitudes médias. Estas tempestades produzem a maioria de precipitações nas latitudes médias.

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