Na atmosfera à medida que uma parcela de ar se eleva, vai encontrando pressões atmosféricas externas cada vez menores e, consequentemente, irá se expandindo proporcionalmente à variação dessa pressão, provocando resfriamento por expansão. O processo inverso seria considerar a referida parcela de ar descendo e encontrando pressões cada vez maiores, provocando compressão e consequentemente seu aquecimento.
Transformações adiabáticas
Adiabática seca – é a variação da temperatura sofrida por uma parcela de ar seco (da superfície até a base da nuvem), onde a variação da temperatura é de 1°C para cada 100 metros.
Adiabática úmida – É o processo adiabático de uma parcela de ar saturada (da base ao topo da nuvem), onde a variação da temperatura é de 0,6°C para cada 100 metros.
O valor da razão adiabática úmida é menor porque, quando há condensação do vapor de água, há liberação de calor. Dessa forma a temperatura não sofre uma queda de 1°C/100 m pois parte do calor liberado pela condensação é somado, o que resulta em uma variação menor.
Gradientes térmicos com valores superiores a 1°C/100 m, isto é, maiores que a razão adiabática seca, são denominados superadiabáticos. O valor máximo é de 3,42°C/100 m e recebe o nome de gradiente autoconvectivo. Da mesma forma que a temperatura resfria 1°C/100m (seca) ou 0,6°C/100m (úmida) a temperatura do ponto de orvalho resfria na razão de 0,2°C/100 m.
Nível de condensação convectiva (ncc)
À medida que uma parcela de ar se eleva, vai se resfriando adiabaticamente e a diferença entre sua temperatura e a temperatura do ponto de orvalho irá diminuindo de modo gradual. Da mesma forma que a temperatura decresce na razão de 1°C/100 m, a temperatura do ponto de orvalho decresce na razão de 0,2°C/100 m. Quando a diferença entre os dois valores tornar-se nulo, isto é, quando as duas temperaturas se igualam, a parcela de ar se satura e, a partir daí começa a condensação do vapor de água e a consequente formação de nebulosidade convectiva.
A altura deste nível será aquela da nebulosidade convectiva, calculada pela fórmula:
H = 125 (T -Td)
Onde:
- H – Altura da base da nuvem em metros.
- T – Temperatura à superfície.
- Td – Temperatura do ponto de orvalho à superfície.
Ex: Temperatura de 30°C e ponto de orvalho de 22°C, ou seja, 30/22. A base da nebulosidade convectiva estará:
H = 125 (30 – 22)
H = 125 x 8
H = 1.000m.
Este método não pode ser aplicado a todos os tipos de nuvens e sim às formadas por correntes convectivas.
Equilíbrio da atmosfera
A atmosfera real possui gradiente térmico que varia desde valores negativos (inversão térmica) até um valor máximo de 3,42°C/100 m. A comparação do valor do gradiente térmico da atmosfera com o valor da razão adiabática determinará a condição de equilíbrio.
1. Equilíbrio do ar seco
a) equilíbrio instável – num determinado instante o gradiente térmico do ar ambiente é maior que a razão adiabática seca, como por exemplo, 1,5°C/100 m. Com 30°C à superfície, a 1.000m de altura a temperatura do ar ambiente será de 15°C. Uma parcela de ar elevando-se pela razão adiabática seca (1°C/100 m), atingirá os mesmos 1.000 metros com temperatura de 20°C. A parcela estará mais quente e, portanto, mais leve que o ar ambiente tendendo a subir cada vez mais, caracterizando o ar instável.
b) equilíbrio estável — Considerando agora o gradiente térmico do ar ambiente menor que a razão adiabática seca, como por exemplo, 0,5°C/100 m. Com 30°C à superfície, a 1.000 metros de altura a temperatura do ar ambiente será de 25°C. Uma parcela de ar elevando-se pela razão adiabática seca (1°C/100 m), atingirá os mesmos 1.000 metros com temperatura de 20°C. A parcela estará mais fria e, portanto, mais pesada que o ar ambiente tendendo a descer, caracterizando o ar estável. A parcela de ar, na realidade, não consegue sair da superfície, toda vez que ela é forçada a se elevar torna-se mais fria e mais pesada que o ar ambiente.
c) equilíbrio neutro ou indiferente — Se num outro instante o gradiente térmico do ar ambiente é igual à razão adiabática seca. Com 30°C à superfície, a 1.000 metros de altura a temperatura do ar ambiente será de 20ºC. Uma parcela de ar elevando-se pela razão adiabática seca (1°C/100m), atingirá os mesmos 1.000 metros.com temperatura de 20°C. A parcela estará com a mesma temperatura do ar ambiente e, portanto, com a mesma densidade permanecendo em repouso, caracterizando o equilíbrio neutro ou indiferente.
2. equilíbrio do ar saturado – para se determinar as condições de equilíbrio do ar saturado, deve-se estabelecer sua relação com a razão adiabática úmida/ uma vez que a parcela de ar considerado é saturada (0,6°C/100 m).
a) equilíbrio instável – gradiente térmico maior que a razão adiabática úmida, isto é, maior que 0,6°C/100 m.
b) equilíbrio estável – gradiente térmico menor que a razão adiabática úmida, isto é, menor que 0,60C/100 m.
c) equilíbrio neutro ou indiferente – gradiente térmico igual à razão adiabática úmida, isto é, igual a 0,6°C/100 m.
Condições de tempo associadas ao equilíbrio do ar
O tipo de equilíbrio da atmosfera determina as condições meteorológicas reinantes.
- Instabilidade – uma atmosfera instável caracteriza-se por correntes ascendentes, nuvens cumuliformes, precipitação de caráter de pancadas, visibilidade boa e turbulência,
- Estabilidade – uma atmosfera estável caracteriza-se por nuvens estratificadas, precipitação leve e continua, visibilidade restrita e ausência de turbulência.
Estabilidade ou instabilidade condicional
Quando o gradiente térmico for maior que a razão adiabática seca, o ar será instável, da mesma forma quando for menor que a razão adiabática úmida, o ar será estável. O equilíbrio condicional é determinado quando uma parcela de ar se eleva dentro de um ar com gradiente entre a razão adiabática úmida e a razão adiabática seca.
Na figura o gradiente térmico do ar ambiente, desde a superfície até o topo da nuvem é de 0,8°C/100 m. Da superfície até a base da nuvem o gradiente de 0,8ºC/100m é menor que a razão adiabática seca, caracterizando o equilíbrio estável. Dentro da nuvem o gradiente de 0,8ºC/100m é maior que a razão adiabática úmida, caracterizando o equilíbrio instável, portanto a umidade do ar é o elemento condicionante. Neste caso o ar seco é denominado condicionalmente estável e o ar saturado condicionalmente instável. A principal característica deste tipo de atmosfera é formação de nuvens stratocumulus.
Instabilidade absoluta ou mecânica
Quanto maior for o gradiente térmico do ar ambiente maior será o grau de instabilidade da atmosfera. A instabilidade que ocorre com o gradiente autoconvectivo (3,42°C/100 m), considerado o gradiente máximo, provoca o maior grau de instabilidade, denominada instabilidade absoluta. Com o gradiente autoconvectivo o ar torna-se muito mais frio acima da superfície, provocando afundamento pelo peso e o ar superaquecido e bem mais leve à superfície sobe com violência; originando fenômenos meteorológicos violentos, tais como: tornado, tromba-d’água, etc.