Capítulo 7 A Circulação Geral da Atmosfera

1. Capítulo 7A Circulação Geral da Atmosfera

2. VII. Circulação Geral da Atmosfera 1. Circulação Observada 2.Circulação de Hadley Tropical 3.Circulação de Latitudes Médias 3.1,3.2 e 3.3Energética da Circulação 4. Balanço de Momento e Calor de Grande Escala

3. 7.1 Circulação Observada • Atmosfera apresenta gradientes horizontais de temperatura; • Existe um aquecimento líquido nos trópicos e um esfriamento líquido nos pólos; • Sem rotação, a circulação gerada por esta diferença de temperatura seria direta : • ar subindo nas baixas latitudes • ar descendo nas altas latitudes

4. Distribuição de Ventos Fig 5.15 Circulação proposta por Hadley, formada por uma célula meridional gi-gante esticada do Equador ao pólo.

5. Fig 5.16 Seção de corte meridional dos ventos zonais (m/s), sob condições anu-ais (topo), dezem-bro, janeiro e feve-reiro (DJF, no meio) e junho, julho e a-gosto (JJA, embai-xo).

6. Fig 5.17 Seção de corte meridional dos ventos zonais em direção ao norte (m/s), sob condições anuais (topo), de-zembro, janeiro e fevereiro (DJF, no meio) e junho, julho e agosto (JJA, em-baixo).

7. Fig 5.18 Função de corrente de over-tuning meridional na média anual sob condições anuais (topo), DJF, (no me-io) e JJA (embaixo). Unidades de 1010 kg/s. Escoamento cir-cula ao redor de centros positivos (ne-gativos) no sentido horário (anti-horário). Na média anual, o ar ascende ao norte do Equador e desce em torno de 30o N ou S.

8. Circulação Observada

9. 7.2 Circulação Tropical de Hadley • Existe uma circulação meridional, mas o movimento de descida ocorre nos subtrópicos. • Uma célula gigante eixo-simétrica meridional do Equador aos pólos não é possível, considerando o momento angular.

10. 7.2 Circulação Tropical de Hadley • Considere um anel de ar circulando o globo; • Sob a influência de uma força de gra-diente de pressão em direção ao pólo, ele se move em direção ao pólo.

11. 7.2 Circulação Tropical de Hadley • Sua distância r do eixo de rotação vai diminuir, • Conservando momento angular, sua componen-te da velocidade do vento em direção a leste u, em relação a Terra, vai aumentar.

12. Momento Angular

13. 7.2 Circulação Tropical de Hadley • Momento angular do anel, por unidade de massa, é: • O primeiro termo é a contribuição da rotação planetária e o segundo termo é a contribuição da velocidade do vento u relativa a Terra; • r é a distância ao centro de rotação.

14. 7.2 Circulação Tropical de Hadley • Suponha que a circulação é eixo-simétrica, então o momento angular é conservado pelo anel a medida que ele se move. • Se no Equador, u=0, então: Ao=a2

15. 7.2 Circulação Tropical de Hadley • A medida que o anel se move em direção ao pólo, ele mantém o momento angular Ao e adquire uma velocidade em direção a leste:

16. 7.2 Circulação Tropical de Hadley • Valores nas latitudes médias são irreais, mesmo considerando o atrito com a superfície. • Portanto, esta circulação eixo-simétrica não pode ir até o pólo, como proposto por Hadley.

17. 7.2 Circulação Tropical de Hadley • Próximo ao Equador efeito de Coriolis é fraco  restrições do momento angular não são severas e atmosfera equatorial age como se a Terra não estivesse rotando. • Considere o ramo superior da circulação: • a medida que se move para o pólo, o parâmetro de Coriolis se torna maior e, no hemisfério norte, resulta em uma componente de oeste do escoamento. • na extensão em direção ao pólo da célula de Hadley espera-se um forte escoamento de oeste, que é observado.

18. 7.2 Circulação Tropical de Hadley • O escoamento subsidie, aquecendo a borda subtro-pical da circulação, produ-zindo a zona desértica e inversão de alísios (“trade inversion”); • O escoamento retorna ao Equador pelos níveis baixos.

19. 7.2 Circulação Tropical de Hadley • Nesses níveis baixos, a aceleração de Coriolis, girando o escoamento para a direita da trajetória no hemisfério norte, produz ventos de leste, os vento alísios: • de nordeste no hemisfério norte e • de sudeste no hemisfério sul. • Ventos são mais fracos do que aqueles na troposfera superior, devido ao atrito na superfície.

20. 7.2 Circulação Tropical de Hadley • Na realidade, deve ter ventos de oeste em baixos níveis em algum lugar; • No equilíbrio, o torque (arrasto friccional líquido) da atmosfera toda deve ser zero, senão o momento angular total da atmosfera não seria estável. • Então, os ventos de superfície devem ser de oeste na borda em direção ao pólo da célula de circulação e de leste próximo ao Equador.

21. 7.2 Circulação Tropical de Hadley

22. 7.2 Circulação Tropical de Hadley • Embora a figura seja simétrica, fortes assimetrias ocorrem sazonalmente, com o ramo ascendente da circulação de Hadley mais forte no hemisfério de verão.

23. 7.2 Circulação Tropical de Hadley • Experimento VIII. • Gradiente de tem-peratura horizontal em tanque rotando lenta-mente.

24. 7.3 Circulação de Latitudes Médias • Modelo de célula de Hadley descreve circulação nas regiões tropicais bem, mas prevê pouca ação nas latitudes médias e altas; • Nestas regiões, restrições de rotação são dominantes e não existe circulação meridional. • Balanço do vento térmico mostra que, se T varia com a latitude (mas não com a longitude):

25. 7.3 Circulação de Latitudes Médias • Não existe escoamento meridional geostrófico e, portanto, não existe circulação meridional geostrófica; • Existe um escoamento zonal, com balanço do vento térmico, o que significa que como T diminui em direção ao pólo, os ventos de leste aumentam com a altura (e diminuem com a pressão).

26. 7.3 Circulação de Latitudes Médias • Estado de movimento meridional nulo é um estado de equilíbrio perfeitamente válido; • Embora o gradiente horizontal de temperatura implique em um gradiente horizontal de pressão (ou gradientes de altura na superfície de pressão), a força associada é inteiramente balanceada pela força de Coriolis que age no vento térmico. • A dedução de que existe apenas uma fraca circulação meridional fora dos trópicos está de acordo com as observações.

27. 7.3 Circulação de Latitudes Médias • Existe dois problemas: • Nos trópicos, a circulação de Hadley pode transportar calor em direção ao pólo, como é necessário no balanço de energia, mas não além da região subtropical. Como o calor continua a ser transportado em direção aos pólos se não há circulação meridional? • Observações do dia a dia mostram que a imagem da atmosfera de latitudes médias como uma de ventos puramente zonais é muito errada. Caso contrário, a previsão do tempo seria muito simples.

28. 7.3.1 Energia Armazenada no Vento Térmico • Atmosfera nas latitudes médias está cheia de turbilhões, que se manifestam com sistemas de tempestades que viajam. Sua energia vem da energia potencial armazenada pelo vento térmico. • Atmosfera é estável a processos secos  fluido mais leve repousa sobre fluido mais pesado, em geral. • Aquecimento diferencial aquece o Equador e esfria os pólos  distribuição de fluido leve e pesado é alterada.

29. 7.3.1 Energia Armazenada no Vento Térmico • Espera-se que a gravidade restaure a interface para a horizontal. • Esta tendência é balanceada pela inclinação das colunas de Taylor pelo vento térmico. • Vento térmico é a característica mais fundamental da circulação de grande escala na atmosfera e no oceano. • Vento térmico segura fluido pesado alto na coluna (Experimento VIII), permitindo o armazenamento de energia potencial.

30. 7.3.1 Energia Armazenada no Vento Térmico • A interface voltada para a horizontal é o estado de mínima energia potencial. • Neste caso, nem toda a energia do estado inicial foi extraída, porque o estado final tem uma quantidade finita de EP associada a ele.

31. 7.3.1 Energia Armazenada no Vento Térmico • Entretanto, a EP do estado final é menor que a do esta-do inicial, porque o centro de gravidade está mais baixo. • Uma quantidade de EP igual a EPinicial-EPfinal foi extraída. • Esta energia, denominada de EP disponível, está disponível para conversão em movimento.

32. 7.3.2 Energia Potencial Disponível • Não basta considerar o movimento de uma parcela apenas, é necessário considerar a energia potencial de toda atmosfera, que é:

33. 7.3.2 Energia Potencial Disponível • A energia potencial só pode ser liberada se algum rearranjo da atmosfera resulta em uma energia potencial mais baixa. • Uma das restrições a tais arranjos é que M é constante:

34. 7.3.2 Energia Potencial Disponível • <z> é a altura do centro de massa da atmosfera. • Portanto, a EP só pode ser diminuída se o centro de massa for abaixado. • Pode-se obter este estado movendo simultaneamente fluido mais denso (ar frio) para baixo e fluido mais leve (ar quente), para cima.

35. 7.3.2 Energia Potencial Disponível • Nem sempre é possível realizar este movimento. • Supondo que as duas parcelas (ao lado) trocam de lugar e tem deslocamento adiabático, com-servando suas temperaturas potenciais. • Movimentos convectivos ocor-rem se d/dz<0.

36. final inicial 7.3.2 Energia Potencial Disponível • Inicialmente, a parcela 1 tem  =1e a parcela 2,  =2 • Depois da troca , suas posições são inversas. • Epfinal>Epinial , sempre que1>2 • Se 2>1, a parcela que está subindo é mais quente do que a parcela que desce.

37. 7.3.2 Energia Potencial Disponível • Se  é função apenas da altura e se d/dz>0, então 1>2. • Portanto: “Para um fluido estratificado estável, sem gradientes horizontais de temperatura, a energia potencial não pode diminuir por qualquer reorganização adiabática do fluido.”

38. 7.3.2 Energia Potencial Disponível • A atmosfera tem energia potencial disponível somente se ela tiver gradientes horizontais de temperatura não nulos. • A liberação da energia potencial disponível pode ser obtida pela redução do centro de massa, que pode ser obtido pela redução do gradiente de temperatura .

39. 7.3.2 Energia Potencial Disponível • A energia potencial disponível está associada com gradientes horizontais de densidade (temperatura) e • A liberação de energia potencial disponível (e, por conseqüência, a conversão em energia cinética) é obtida pela redução nos gradientes horizontais de densidade (temperatura).

40. 7.3.3 Instabilidade Baroclínica • Escoamento puramente zonal é equilibrado, mas dispõe de muita energia potencial, devido aos gradi-entes horizontais de tempera-tura . • Este estado zonal é instável, por um processo conhecido como instabilidade baroclínica.

41. 7.3.3 Instabilidade Baroclínica • =(p,T)  existem gradientes de densidade e temperatura (baroclínica) • Movimentos longitudinais são gerados e estas ondas freqüentemente forma turbilhões fechados. • Ar quente indo em direção ao pólo também está de movendo para cima, o que equilibra os gradientes de temperatura.