MO Cap. 8 — Circulação geral da atmosfera

1. Circulação geral da atmosfera: a visão de conjunto

Este capítulo monta o quadro de como o ar se organiza em torno do globo: onde estão os sistemas de alta e de baixa pressão e qual o padrão dos ventos, tanto em superfície quanto em altitude. O percurso vai do maior para o menor: primeiro os ventos de escala global, depois os de menor escala (brisas, monções) e, por fim, a interação entre oceano e atmosfera no fenômeno El Niño Oscilação Sul.

Fonte: YNOUE, Rita Yuri; REBOITA, Michelle S.; AMBRIZZI, Tércio; SILVA, Gyrlene A. M. da. Meteorologia: noções básicas. São Paulo: Oficina de Textos, 2017. Cap. 8 — Circulação geral da atmosfera.

Edital: Anexo 2-A, Área V (Meteorologia e Oceanografia) — item 11.3/11.4 (Circulação geral da atmosfera: células de Hadley, Ferrel e polar; ventos alísios; ZCIT; jatos; circulações locais — brisas e monções) e item 19.1 (interação oceano-atmosfera: célula de Walker, Oscilação Sul, El Niño/La Niña, Enos) · Anexo 2-B, Área V, item 2 (Ynoue, livro sem lista de capítulos; escopo fixado pelo 2-A).

A circulação geral da atmosfera é o escoamento médio do ar ao redor do planeta. O vento de um ponto e instante específicos pode afastar-se bastante dessa média — por influências locais, por exemplo —, mas a média global tem grande importância prática: dá uma visão dos mecanismos que governam os ventos e mostra como o calor e o momentum são transportados do equador para os polos, e o frio dos polos de volta para as menores latitudes.

2. Escalas do movimento atmosférico

O vento é o ar em movimento — invisível, mas evidente no balançar das folhas. Existem circulações de ar de tamanhos (escala espacial) e durações (escala temporal) muito diferentes, que ainda interagem entre si. Por isso os meteorologistas classificam as circulações em três faixas de tamanho.

• Microescala. Os menores e mais efêmeros movimentos — pequenos vórtices turbulentos (escala de metros, duração de segundos a minutos).
• Mesoescala. Tamanho intermediário — tempestades, tornados, redemoinhos de poeira, brisas marítima/terrestre e de vale/montanha (escala de dezenas de km, duração de minutos a dias).
• Macroescala. Os maiores sistemas, de alcance continental a global — as próprias células de circulação, a ZCIT.

A dimensão horizontal real de um mesmo sistema pode variar, de modo que ele às vezes ocupa mais de uma categoria da hierarquia. A figura abaixo posiciona vários fenômenos pela dimensão espacial e pelo tempo de vida.

3. Circulação global

3.1 O Sol como fonte de energia

A principal fonte de energia da atmosfera é o Sol. A radiação que chega aquece primeiro a superfície; esta, por condução, aquece uma fina camada de ar adjacente; e, por fim, movimentos convectivos levam esse calor a maiores alturas, somando-se à absorção da radiação infravermelha emitida pela superfície. O ponto-chave é que esse aquecimento não é uniforme entre o equador e os polos.

Surge então a pergunta: como os polos conseguem emitir mais radiação do que recebem? A resposta está na própria circulação geral da atmosfera (e dos oceanos). O aquecimento diferencial, consequência do formato esférico da Terra, induz a formação dos ventos, que transportam ar quente e úmido da região equatorial em direção aos polos e ar frio e seco dos polos para o equador. No oceano, o mesmo papel cabe às correntes marítimas. Há, portanto, uma redistribuição de energia que mantém o equilíbrio térmico do planeta.

Embora a ideia pareça simples, o escoamento real do ar é bem complexo. Para entendê-lo, foram desenvolvidos ao longo do tempo alguns modelos conceituais de circulação geral, apresentados a seguir, do mais simples ao mais realista.

3.2 Modelos de circulação geral

Modelo unicelular — Terra sem rotação

O primeiro modelo parte de quatro simplificações: (1) a superfície é toda coberta de água, sem aquecimento diferente entre continentes e oceanos; (2) o Sol incide sempre perpendicular ao equador, eliminando o efeito das estações; (3) a Terra não gira, de modo que a única força atuante é a força do gradiente de pressão (FGP); e (4) considera-se apenas o lado iluminado.

Como o ar frio é mais denso do que o quente, forma-se junto à superfície um gradiente horizontal de pressão cuja FGP aponta dos polos para o equador. O ar de ambos os polos converge no equador e ascende; em altitude, diverge e volta aos polos; lá subside (afunda) e retorna ao equador em superfície. Resulta uma única e grande célula de convecção por hemisfério.

Modelo unicelular — Terra com rotação

Mantendo as simplificações 1 e 2, mas agora com a Terra girando, entra em cena a força de Coriolis. Em superfície, ela desvia para a esquerda o ar que vai do polo Sul ao equador e para a direita o que vai do polo Norte ao equador. O efeito combinado produziria ventos de leste em quase todas as latitudes.

Modelo de três células

Como nenhum dos dois modelos anteriores reproduzia a circulação observada, um terceiro foi idealizado na década de 1920. Com a rotação, a única célula meridional dos modelos anteriores se rompe em três células por hemisfério: a célula de Hadley, a célula de Ferrel e a célula polar. As próximas subseções descrevem cada uma (com referência ao hemisfério Sul).

Célula de Hadley

O intenso aquecimento solar no equador faz o ar ascender; na alta troposfera, esse ar se desloca rumo aos polos nos dois hemisférios. Ao avançar, a circulação em altos níveis começa a subsidir numa faixa entre 20° e 35° de latitude. Essa subsidência tem dois motivos:

• Resfriamento radiativo. Ao afastar-se do equador, o ar em altos níveis perde calor por radiação, fica mais denso e tende a afundar.
• Convergência por Coriolis. Quanto maior a latitude, mais forte a força de Coriolis. Por volta de 25°, os ventos já estão quase zonais (leste-oeste), o que provoca convergência de ar em altitude e força a subsidência.

O ar que afunda nos subtrópicos (20°–35°) forma um cinturão de alta pressão junto à superfície. Não por acaso, é nessa faixa de subsidência que ficam os grandes desertos, como o do Saara e o australiano.

Do centro das altas subtropicais o vento de superfície se divide em dois ramos: um segue para os polos; o outro fecha a célula de Hadley voltando ao equador. Por Coriolis, o ramo que vai ao equador se desvia para a esquerda no hemisfério Sul — formando os ventos alísios de sudeste — e para a direita no hemisfério Norte — formando os alísios de nordeste. Em inglês esses ventos são os trade winds (ventos de comércio), porque davam aos veleiros uma rota oceânica rumo ao Novo Mundo.

Na ZCIT o ar ascende e, em altos níveis, diverge rumo aos polos; sob a ação de Coriolis, dá origem aos ventos de oeste em altitude.

Célula de Ferrel

Um dos ramos do ar que subsidiu em 20°–35° segue para o polo e, por Coriolis, gera os ventos de oeste em superfície nas latitudes médias. A caminho do polo, por volta de 60° de latitude, esse ar encontra o ar frio que desce dos polos. Como as duas massas têm temperatura e umidade diferentes, a fronteira entre elas é uma superfície chamada frente polar. Ali o ar quente ascende sobre o frio e origina tempestades. O ar que subiu divide-se em dois ramos: um vai ao polo; o outro volta ao equador e subside por volta de 30°, completando a célula de Ferrel quando o ar das altas subtropicais escoa de novo, em superfície, rumo aos polos.

Célula polar

A célula polar começa com a subsidência sobre os polos, alimentada pelo ar que ascendeu em 60°. Isso gera uma corrente de superfície rumo ao equador, desviada por Coriolis, que forma em ambos os hemisférios os ventos polares de leste. Ao avançar, esses ventos encontram a corrente de oeste das latitudes médias justamente na frente polar; ali o ar ascende e, em altitude, um ramo vai às latitudes mais baixas e outro retorna ao polo — este último constituindo a célula polar.

Síntese do modelo de três células. Em cada hemisfério há, em superfície, duas grandes áreas de alta pressão (perto de 30° e nos polos) e duas de baixa pressão (perto do equador e perto de 60°). Em torno desses centros, o padrão dos ventos de superfície fica resumido na tabela abaixo.

O modelo acerta bem a distribuição de pressão e ventos em superfície; só falha em altos níveis, onde a célula de Ferrel não reproduz os ventos de oeste das latitudes médias.

4. Pressão e ventos na atmosfera real

O modelo de três células é uma idealização: na atmosfera real, as faixas de alta e baixa pressão não são contínuas. A razão é que a superfície do planeta não é homogênea — oceanos, continentes, cobertura do solo e topografia têm atritos e taxas de aquecimento diferentes, criam gradientes de pressão distintos e rompem as faixas zonais em células semipermanentes de alta e de baixa pressão.

Soma-se a isso a variação de temperatura ligada à inclinação do eixo e aos movimentos de rotação e translação (as estações do ano), que faz os sistemas migrarem meridionalmente e variarem em intensidade. Por isso os padrões de pressão mudam de posição e de força ao longo do ano. As médias de janeiro e julho deixam isso visível.

4.1 Hemisfério Norte

No hemisfério Norte, os sistemas de pressão mudam bastante entre o inverno e o verão boreais: o forte aquecimento de julho desfaz as altas continentais e dá lugar a baixas térmicas.

4.2 Hemisfério Sul

No hemisfério Sul, as altas subtropicais quase se conectam numa faixa contínua e se intensificam no inverno austral, quando surge ainda um quarto centro sobre a Austrália.

5. Ventos de oeste em altos níveis nas latitudes médias

5.1 Causa dos ventos de oeste

O responsável pelos ventos de oeste em altos níveis nas latitudes médias é o contraste de temperatura entre polos e equador. Como o ar frio é mais denso, a pressão decresce mais rápido com a altura numa coluna de ar frio do que numa coluna de ar quente. Logo, a uma mesma altitude, as maiores pressões ficam em direção ao equador e as menores em direção aos polos.

O gradiente horizontal de pressão entre as latitudes quentes e frias aumenta com a altitude, o que significa ventos mais fortes conforme se sobe — mas só até a tropopausa. Acima dela, na estratosfera, os ventos enfraquecem: a absorção de radiação ultravioleta pelo ozônio aquece o ar e provoca uma inversão em que as regiões polares ficam relativamente mais quentes que os trópicos, reduzindo o gradiente de pressão e a velocidade do vento.

5.2 Correntes de jato

Embebidas no escoamento de oeste, em altos níveis, há faixas estreitas de ventos muito velozes: as correntes de jato. Elas surgem de intensos gradientes horizontais de temperatura em superfície. Têm de centenas a milhares de quilômetros de comprimento e largura reduzida; em geral ficam na tropopausa, entre 10 km e 14 km, e os ventos podem passar de 200 km/h. A figura geral das células já indicava um jato polar e um jato subtropical.

Jato polar

O jato polar ocorre ao longo da frente polar, a principal zona frontal do globo, onde os ventos polares de leste encontram os ventos quentes de oeste das latitudes médias. Sua velocidade pode passar de 300 km/h; em média, é de 125 km/h no inverno e cai quase à metade no verão (o gradiente de temperatura é mais forte no inverno).

A frente polar não é retilínea em torno do globo — em alguns trechos o ar frio avança mais para o equador —, e o mesmo vale para o jato polar, que ganha ondulações de grande componente norte-sul. Por causa delas, às vezes um trecho do jato polar se une ao jato subtropical, e suas porções recebem os nomes de ramo norte e ramo sul.

Jato subtropical

O jato subtropical forma-se no lado polar da célula de Hadley. O ar quente que essa célula leva em altos níveis rumo ao polo produz um forte contraste de temperatura ao longo de uma frente subtropical — perceptível sobretudo em altitude e que não chega à superfície. Esse contraste gera fortes gradientes de pressão e, portanto, ventos fortes.

6. Circulações locais

Até aqui foram vistos os padrões de pressão e vento em escala global. Mas também há circulações de menor dimensão espacial e temporal. Esta seção trata dos ventos em escala local.

6.1 Brisa marítima e brisa terrestre

Durante o dia, o continente se aquece mais depressa que a água. O ar aquecido sobre a terra forma uma baixa térmica rasa (de pouca extensão vertical); em superfície, a FGP aponta do oceano para o continente, dando a brisa marítima — o ar escoa do mar para a terra, com força máxima à tarde. À noite, inverte-se: o continente se resfria mais rápido, a alta pressão passa a ser sobre a terra e surge a brisa terrestre, da terra para a água, mais fraca por causa do menor contraste térmico noturno. (Sobre lagos, chama-se brisa lacustre.)

As brisas duram algumas horas e sofrem também a ação de Coriolis: no hemisfério Sul, o vento da brisa vai girando para a esquerda com o tempo.

6.2 Brisa de vale e brisa de montanha

O aquecimento e o resfriamento diferentes das encostas e do ar sobre os vales geram as brisas de vale e de montanha. De dia, o ar junto à encosta se aquece mais rápido que o ar à mesma altura sobre o vale (a encosta é uma superfície próxima, que aquece o ar adjacente). As isóbaras ficam mais afastadas sobre a montanha; surge um escoamento em superfície do vale para a montanha, a brisa de vale. Como ela atinge o máximo no início da tarde, nuvens e chuvas são comuns nas encostas na parte mais quente do dia.

À noite, inverte-se: a encosta se resfria rápido, o ar em contato fica mais frio e denso e escoa da montanha para o vale — a brisa de montanha.

7. Circulações com variações sazonais: monções

A palavra monção vem do árabe mausim (estação). Em Meteorologia, designa uma reversão sazonal da circulação atmosférica causada pelo aquecimento diferente entre continentes e oceanos. É, em essência, uma circulação de brisa marítima/terrestre, porém de maior dimensão e intensidade.

O sistema de monção mais conhecido é o da Ásia. A América do Sul também tem o seu, embora a reversão dos ventos sobre o continente não apareça nos mapas sazonais brutos — só é notada quando se extrai a média anual do valor sazonal (anomalia sazonal). Como em toda monção, a estação chuvosa é o verão, com precipitação do oeste da Amazônia ao sudeste do Brasil.

8. Interação oceano–atmosfera: El Niño e La Niña

A média da pressão e da circulação geral pode ser modificada quando a atmosfera é perturbada por forçantes naturais (sem influência humana). Uma dessas forçantes é a temperatura da superfície do mar (TSM) — medida entre a superfície e algo entre 10 µm e 10 m de profundidade, conforme o método.

8.1 Distribuição global da TSM

• Aproximadamente zonal. As isotermas seguem mais ou menos as linhas de latitude.
• Máximo no equador. A TSM é maior junto ao equador (cerca de 28 °C) e decresce rumo aos polos, chegando a cerca de −2 °C junto ao gelo polar.
• Distorção costeira. Perto da costa, as correntes desviam e as isotermas tendem a seguir a direção norte-sul. Na margem leste dos oceanos (a oeste dos continentes) ocorrem TSMs mais baixas — correntes anticiclônicas trazem água fria dos polos; na margem oeste, o contrário, com água mais quente.
• Ar acompanha a água. O ar próximo à superfície adquire lentamente a temperatura da água, de modo que a temperatura do ar sobre os oceanos tem, em média, a mesma distribuição da TSM.

8.2 Célula de Walker e a Oscilação Sul

Sobre o Pacífico equatorial existe uma célula de circulação no plano vertical-zonal (oeste-leste), ligada à variação de pressão da região: é a célula de Walker. As anomalias de TSM do Pacífico tropical podem modificá-la. As variações de pressão correspondem à Oscilação Sul; as variações de TSM, ao El Niño/La Niña. A combinação das duas é o fenômeno El Niño Oscilação Sul (Enos).

Em condições normais (sem anomalias de TSM), há águas mais quentes a oeste, perto da Indonésia, e mais frias a leste, perto da América do Sul. Isso sustenta uma alta pressão no leste do Pacífico e uma baixa sobre a Indonésia, reforçando os ventos alísios, que sopram de leste para oeste em superfície. A célula de Walker tem, então, ar ascendente perto da Austrália/Indonésia, escoamento de oeste para leste em altos níveis e movimentos descendentes perto da costa oeste sul-americana.

8.3 El Niño e La Niña

Quando os valores de TSM do Pacífico equatorial se afastam muito da média climatológica, a resposta atmosférica se dá pela modificação da célula de Walker, com mudanças de chuva e temperatura em muitas regiões do globo.