Força de GRADIENTE DE PRESSÃO no vento

A origem da movimentação horizontal do ar está na diferença de pressão, ocasionada principalmente pela diferença de temperatura entre as diversas regiões de nosso planeta. A força resultante da diferença de pressão é denominada de gradiente de pressão.

Esta força ocorre no sentido da alta para a baixa pressão, perpendicular as linhas isóbaras. Quanto menor a distância entre as isóbaras, maior será o gradiente de pressão. Consequentemente, quanto maior o gradiente de pressão maior será a intensidade do vento. Para melhor compreensão veja a fórmula e a ilustração do post.

Conforme analisado acima, a diferença de temperatura na superfície da Terra  resulta na variação de pressão. A região Equatorial é mais quente e possui menor pressão do que a região dos polos, onde a temperatura é mais baixa e a pressão mais alta.

Se não houvesse mais nenhuma força atuante, como por exemplo, a rotação da Terra, e o gradiente de pressão fosse a única força atuante sobre o vento, teríamos uma situação hipotética onde seria fácil prever a circulação dos ventos, que sempre ocorreria das regiões de alta para as de baixa pressão. Mas, como há a rotação da Terra, a partir do momento que ocorre a movimentação do ar, este passa a sofrer influência da força de Coriolis.

Força de ATRITO e força centrífuga no vento

Força de atrito

O atrito entre o vento e a superfície terrestre resulta na redução da velocidade e na alteração da trajetória do vento. Esta redução de velocidade provoca a redução da força de Coriolis que atua sobre o vento, no entanto, a força do gradiente de pressão não é afetada pelo atrito, o que irá causar alteração na trajetória de deslocamento do vento. No hemisfério sul a trajetória é alterada para a direita, no sentido da área de baixa pressão.

A força de atrito tem efeito até uma altura de 2.000 pés (cerca de 600 metros) acima da superfície, chamada de camada de atrito. Veja a seguir algumas considerações sobre a atuação da força de atrito sobre o vento:
– quanto mais plana a superfície menor será a influência da força de atrito;
– áreas com relevo acentuado (regiões montanhosas) causam maior atrito;
– áreas “lisas”, como o deserto e o mar, causam menor atrito; e
– quanto maior a velocidade do vento, maior será a força de atrito.

Força centrífuga

Força que age para fora do centro de um sistema de pressão quando a isóbara é curva. A força centrífuga se opõe a força centrípeta.

O que é a força de CORIOLIS Efeitos nas massas de ar

A força de Coriolis é uma força aparente causada pelo movimento de rotação da Terra, resultando no desvio da trajetória da massa de ar.

Apesar de influenciar desde as correntes marítimas até a trajetória de um míssil, neste livro iremos nos ater à análise dos efeitos da força de Coriolis apenas sobre o vento. Veja as principais considerações sobre os efeitos desta força sobre o vento:
– atua apenas na massa de ar em movimento;
– quanto maior a velocidade de deslocamento da massa de ar, maior será o efeito da força de Coriolis;
– quanto maior a latitude (próximo aos polos) maior é o efeito da força de Coriolis. Esta força é praticamente nula no Equador e máxima nos polos;
– no hemisfério norte esta força desvia a massa de ar para a direita da direção do movimento; e
– no hemisfério sul esta força desvia a massa de ar para a esquerda da direção do movimento.

Em nosso cotidiano não sentimos a força de Coriolis, pois as nossas atividades são realizadas com baixa velocidade e pequeno deslocamento, se compararmos à amplitude do movimento da Terra. Por exemplo, quando jogamos tênis ou arremessamos uma bola não iremos sentir a atuação desta força. No entanto, em deslocamentos de grande distância, como ocorre com as massas de ar ou correntes marítimas, a força de Coriolis terá influência significativa.

ISÓBARAS Para que servem e sistemas de distribuição de pressão

Antes de analisar os sistemas de distribuição de pressão, precisamos entender o que são as isóbaras. Isóbara é uma linha unindo diversos pontos com a mesma pressão atmosférica ao nível médio do mar (QFF). O padrão destas linhas isóbaras e a forma como elas se movimentam são informações úteis para as análises e previsões meteorológicas. O ar move sempre das áreas de alta pressão para as áreas de baixa pressão, numa constante busca para se atingir o equilíbrio.

Os padrões das linhas isóbaras são chamados de sistema de distribuição de pressão, que podem ser:
– baixa (low)
– alta (high)
– cavado (trough)
– crista (ridge)
– ponto neutro (col)

Baixa (low)

Também chamada de depressão ou ciclone, é uma área onde a pressão no centro é baixa e a sua volta a pressão é gradativamente maior. Estas são áreas onde o ar é ascendente e convergente, circulando no sentido anti-horário no Hemisfério Norte e no sentido horário no Hemisfério Sul.
Veja as principais características deste tipo de sistema:
– área geralmente associada ao mau tempo;
– possibilidade de trovoadas e chuva forte;
– visibilidade reduzida quando ocorre as chuvas, após prevalece a boa visibilidade devido ao ar ascendente; e
– ventos fortes, principalmente quando a pressão estiver muito baixa e as linhas isóbaras muito próximas umas das outras.

Alta (high)

Também chamada de anticiclone, é uma área onde a pressão no centro é alta e a sua volta a pressão é gradativamente menor. Estas são áreas onde o ar é descendente e divergente, circulando no sentido horário no Hemisfério Norte e no sentido anti-horário no Hemisfério Sul.
Veja as principais características deste tipo de sistema:
– área geralmente associada ao bom tempo;
– pouca ou nenhuma precipitação;
– visibilidade reduzida, principalmente no inverno, quando são formados os nevoeiros; e
– ventos calmos.

Cavado (trough)

São áreas alongadas de baixa pressão, também associadas ao mau tempo.

Crista (ridge)

São áreas alongadas de alta pressão, também associadas ao bom tempo.

Área neutra ou colo (col)

Área localizada entre duas altas e duas baixas. Este tipo de área dura poucos dias, quando é então absorvido por um dos sistemas.

Como MUDA a pressão atmosférica

A pressão atmosférica padrão ao nível do mar é de 1013 hPa, 760 mmHg ou 29.92 polHg, no entanto, essa pressão sofre alteração por diversos fatores. Os principais fatores atrelados à variação da pressão são: altitude e temperatura.

Para que possamos ter uma noção prática de como a pressão atmosférica pode variar em nosso planeta, vejamos alguns dados. Em 1969 a pressão de superfície durante a passagem do furacão Camille chegou a 908 hPa. Num anticiclone de alta intensidade a pressão chega a atingir 1050 hPa. Como regra, áreas de baixa pressão estão associadas ao mau tempo e áreas de alta pressão à estabilidade atmosférica.

– Altitude: com o aumento da altitude ocorre a diminuição da pressão atmosférica. À medida que subimos a densidade do ar diminui e o peso que ele exerce também passa a ser menor.  Se a densidade do ar é menor, o seu peso também será menor, exercendo menos pressão.  Se ocorre o aumento da altitude, a quantidade de ar acima vai reduzindo, pois, uma parcela de ar vai ficando para baixo, logo, teremos um volume menor de ar na atmosfera exercendo pressão.
A redução da pressão atmosférica é maior em altitudes inferiores da troposfera, cerca de 1 polHg a cada 1000 pés de aumento de altitude. Em altitudes mais elevadas a redução da pressão atmosférica passa a ser gradativamente menor. Por exemplo, ao nível do mar a pressão é de 1013hPa (29.92inHg), a 18.000 pés a pressão cai para 504hPa (14.90inHg) e a 35.000 pés despenca para 237hPa (7inHg).

– Temperatura: Com o aumento da temperatura ocorre a diminuição da pressão atmosférica. À medida que a temperatura do ar aumenta, ocorre a diminuição da densidade do ar e consequentemente a diminuição da pressão atmosférica.

– Umidade: quanto maior a umidade menor a densidade do ar, logo, menor será a pressão atmosférica.

– Variação diurna: Ao longo de um dia também ocorre variação na pressão, que apesar de pequena, deve ser levada em consideração durante a identificação de uma mudança significativa nas condições meteorológicas. Em latitudes temperadas a variação diária é de aproximadamente 1 hPa e em latitudes tropicais de 3 hPa ao longo do dia. As máximas pressões ocorrem às 10:00 e às 22:00hs, as mínimas ocorrem às 04:00 e às 16:00hs. Essa variação também é conhecida como “maré barométrica”.

Como MEDIR a pressão atmosférica

Barômetro de mercúrio

A forma mais precisa para se medir a pressão atmosférica é através do barômetro de mercúrio, inventado por Torricelli em 1643. Este barômetro mede a altura da coluna de mercúrio (Hg) dentro de um tubo de vidro, onde uma das extremidades é aberta e exposta à pressão atmosférica que exercerá uma determinada força sobre o mercúrio, causando variação na coluna. Por exemplo, se a pressão atmosférica aumenta, haverá mais pressão sobre mercúrio fazendo com que a coluna se eleve.

Apesar de ser a forma mais precisa de medição da pressão atmosférica, este barômetro não permite uma leitura simples da pressão, além de não ser muito prático para transportar. Por estes motivos, ele é comumente utilizado em estações de observação meteorológica e em laboratórios.

Barômetro aneroide

Apesar de serem um pouco menos precisos do que os barômetros de mercúrio, os barômetros aneroides são mais compactos, fáceis de obter a leitura e de transportar.

O barômetro aneroide é composto por uma câmara de metal com uma mola no seu interior, para evitar o seu esmagamento pela pressão atmosférica, e um mostrador calibrado. Esta câmara se comprime quando a pressão aumenta e se expande quando a pressão diminui, estes movimentos são transmitidos a um ponteiro sobre um mostrador calibrado em unidades de pressão. O altímetro, presente nas aeronaves, nada mais é do que um barômetro aneroide com o mostrador calibrado para exibir altitude.

Unidades de medida da pressão atmosférica

Em meteorologia e na aviação as unidades mais utilizadas são:
– hPa (hectopascal), antigamente utilizava-se o termo “milibar” (mb);
– mmHg (milímetros de mercúrio); e
– polHg (polegadas de mercúrio), também expresso como inHg.

A seguir os valores práticos de cada uma destas unidades:
– 1 hPa = 30 pés
– 1 mmHg = 1,333 hPa = 40 pés
– 1 polHg = 33,86 hPa = 1000pés

No Brasil, nas mensagens meteorológicas (ex.: METAR) e comunicações de tráfego aéreo a pressão atmosférica é sempre expressa em hPa (hectopascal). Em alguns países, como os Estados Unidos, a polHg é adotada como unidade padrão para expressar a pressão atmosférica.

Exemplo de um METAR:

METAR SBKP 071300Z 12008KT 9999 SCT019 BKN080 23/19 Q1016

Como a temperatura afeta no vôo

Um dos fatores que mais afetam a performance e a operação de uma aeronave é a temperatura do ar. Vamos a um exemplo rápido para você ter uma noção prática da influência da temperatura na performance de uma aeronave.

Por exemplo, no caso especifico de um Boeing 737Ng para uma determinada localidade, com 12ºC o limite de peso é de 69.800kg, e a 32ºC o limitante passa a ser de 65.700kg, uma significativa diferença de 4.100kg. Essa diferença terá influência direta na quantidade de carga e passageiros que a aeronave poderá transportar.

A regra é bem simples: alta temperatura faz com que a densidade do ar diminua, e consequentemente a performance da aeronave é degradada.

Mas como esta redução na performance da aeronave ocasionada pela temperatura irá influir no meu voo? Destacamos as principais influências, veja:
– utilização de maior comprimento de pista para decolagem;
– limitação de peso para decolagem;
– limitação do nível ótimo e máximo de cruzeiro; e
– utilização de maior comprimento de pista para pouso.

Portanto, lembre-se, nos dias em que a temperatura estiver elevada a performance da sua aeronave será diretamente afetada!

ENTENDA como funciona a variação de temperatura

A quantidade de energia solar recebida nas diversas regiões da Terra sofre variações de acordo com a hora do dia, estações do ano e latitude da região. Essas variações na quantidade de energia solar recebida em cada região irão causar também variações na temperatura. A variação de temperatura pode ser afetada das seguintes formas:
– variação diurna;
– variação sazonal;
– variação por latitude;
– variação por tipo de superfície; e
– variação por altitude.

Variação diurna

Variação de temperatura ocasionada pela rotação da Terra, causando mudanças de temperatura entre o dia e a noite. Durante o dia a radiação solar supera a radiação terrestre, logo, a temperatura sobe atingindo a máxima por volta das 15:00hs. Durante a noite ocorre o inverso, a radiação terrestre supera a radiação solar, resultando na queda da temperatura, que pode se estender por até 1 hora após o nascer do sol, quando a mínima temperatura do dia é atingida.

Variação sazonal

Variação de temperatura ocasionada pelo movimento de translação da Terra ao redor do sol e pela inclinação (23,27º) do eixo de rotação da Terra em relação à perpendicular ao plano definido pela órbita da Terra (plano da eclíptica). Essa inclinação faz com que a incidência de radiação solar ao longo do ano varie entre os hemisférios norte e sul. Durante os meses de junho, julho e agosto o hemisfério norte recebe mais radiação solar, logo, a temperatura naquele hemisfério aumenta. Nos meses de dezembro, janeiro e fevereiro ocorre o oposto, o hemisfério sul recebe mais radiação solar e a temperatura deste hemisfério aumenta.

Variação por latitude

Devido a forma esférica da Terra a radiação solar não atinge as diversas regiões do planeta de forma homogênea. A região equatorial é a que recebe a maior incidência de radiação solar, motivo pelo qual a temperatura nesta região é sempre mais elevada. Nos polos os raios solares não atingem à superfície, nos respectivos invernos, quando a noite chega a durar 6 meses. Quanto menor a latitude da região maior será a sua temperatura.

Variação por tipo de superfície

A característica da superfície também resulta em grande influência na variação de temperatura. Por exemplo, áreas onde há presença de grande quantidade de água (lagos, florestas, pântanos, praia) ocorre pouca variação de temperatura ao longo do dia. Já em áreas com superfície árida (deserto) a variação entre a temperatura máxima e mínima ao longo do dia é significativamente maior.

Variação por altitude

No módulo anterior anterior vimos que a temperatura na troposfera diminui (cerca de 2ºC a cada 1000 pés) com o aumento da altitude, o que chamamos de gradiente térmico. No entanto, este não é um valor exato e em algumas situações ocorre justamente o contrário, ou seja, o aumento de temperatura com o aumento da altitude, ao que chamamos de inversão térmica.

A inversão térmica próxima à superfície é comum em noites frias e com céu claro. Nesta condição a superfície é resfriada rapidamente pela radiação terrestre, e consequentemente, o ar próximo a superfície é resfriado por condução. Este ar frio não consegue se elevar, pois é mais denso, deste modo o ar que se encontra em altitudes mais elevadas fica com temperatura superior ao ar da superfície, caracterizando a inversão térmica.

Este tipo de fenômeno está associado à um ar estável, ou seja, um ar que não tem tendência de se elevar verticalmente, resultando numa condição tranquila para voar. A contrapartida é que esse tipo de condição favorece a diminuição da visibilidade horizontal.

Quando não há variação de temperatura com a altitude, ocorre o fenômeno chamado de isotermia.

Transferencia de calor por radiação + condução + convecção + advecção

É importante analisarmos as formas pelas quais o calor pode ser propagado, pois isso nos ajudará a compreender alguns fenômenos meteorológicos. O calor pode ser transmitido, ou propagado, através das seguintes formas:

– radiação
– condução
– convecção
– advecção

Abaixo um exemplo simples sobre os principais métodos de transferência de calor, em seguida analisaremos os exemplos relacionados à meteorologia.

Radiação

Todos os corpos transmitem calor através de radiação eletromagnética, cuja intensidade varia de acordo com o tipo do corpo e sua temperatura. O calor em forma de radiação se propaga até encontrar uma matéria que possa absorve-lo, não havendo a necessidade de um meio intermediário para que ocorra a transmissão do calor.

O exemplo mais notório e importante deste tipo de transmissão de calor é a radiação solar, responsável pelo aquecimento da Terra. Este calor atravessa o espaço cósmico pelo processo chamado de radiação, na forma de ondas eletromagnéticas.

Grande parte da temperatura da Terra é determinada pela quantidade de radiação recebida pelo Sol. Essa radiação não é absorvida pelos gases da atmosfera, com exceção da radiação ultravioleta que é absorvida pelo ozônio. Parte da radiação solar (cerca de 55%) é refletida de volta para o espaço pelas nuvens, neve nos polos e regiões de deserto. A parte restante (45%) é absorvida pela superfície terrestre e transformada em calor. Sem a radiação solar não seria possível a vida na Terra, como a conhecemos.

Durante a noite a Terra devolve parte deste calor através da radiação terrestre, causando o resfriamento de sua superfície.

Condução

É o processo de transferência de calor por contato, em que corpos com temperaturas diferentes transferem energia entre si, do mais quente para o mais frio. Alguns materiais transferem energia com mais facilidade, como é o caso dos metais, outros não são bons condutores de calor, como a porcelana e o ar. A condução é responsável, por exemplo, pelo aquecimento do ar em contato com o solo.

Convecção

É o processo no qual o calor é transferido através de movimentos verticais do ar, resultando nas correntes convectivas (ou verticais). Essas correntes convectivas são resultado do processo de movimentação vertical do ar, onde o ar mais quente fica menos denso e sobe, enquanto, o ar frio e denso desce. Ainda vamos falar bastante destas correntes ao longo deste curso!

Advecção

É o processo de transferência de calor através do movimento horizontal do ar, cujo exemplo mais conhecido é o vento. Um fenômeno associado a advecção é o “nevoeiro de advecção”, que ocorre quando uma massa de ar quente e úmida avança sobre uma superfície fria.

Quantas e quais são as escalas de temperatura na aviação

Na aviação a temperatura é medida das seguintes formas:

– Temperatura em superfície: em solo a temperatura é medida através de um termômetro instalado no interior de um “abrigo” de madeira, protegendo o termômetro da radiação solar, da chuva e de outros fatores que possam atrapalhar a medição precisa da temperatura.

– Temperatura em altitude: a temperatura em altitude é medida através de radiossondas lançadas através de balões meteorológicos, cuja funções é transmitir a temperatura, pressão e umidade encontrada nos diversos níveis que passa.

– Temperatura externa da aeronave: a medição da temperatura em voo apresenta uma série de dificuldades, devido a influência do ar de atrito e da compressão, sendo necessário a realização de correções para se obter uma temperatura precisa.

As três escalas mais utilizadas de temperatura são:

– ºC (Celsius)
– ºF (Fahrenheit)
– K (Kelvin)

No Brasil, adota-se a escala Celsius (ºC) como padrão para a aviação.
Duas referências de temperatura são muito utilizadas na correlação entre as escalas: a temperatura de congelamento e a de ebulição da água. Veja:

A conversão das escalas de temperatura pode ser realizada através das fórmulas a seguir, no entanto, não há necessidade de decora-las, uma vez que através do computador de voo é possível realizar facilmente a conversão entre ºC e ºF. A escala Kelvin não é utilizada na aviação.

Cº = (Fº – 32) / 1,8
Fº = (1,8 x Cº) + 32

Para realizar a conversão das unidades de medida de temperatura, Celsius e Fahrenheit, basta consultar a escala localizada na parte inferior da face A do computador de voo. O processo é muito simples, não sendo necessário nenhum ajuste no computador de voo. Basta localizar a temperatura desejada na escala, e encontrar a temperatura correspondente em Celsius ou Fahrenheit.