MO Cap. III — Atividades Convectivas e Cumulonimbus (Cb)

1. Atividades convectivas e Cumulonimbus (Cb)

Este capítulo examina o processo convectivo — a sequência de etapas pela qual o ar quente sobe, libera energia ao condensar e dá origem a nuvens de grande desenvolvimento vertical. O foco é entender as condições que favorecem esse processo até ele atingir a intensidade de tempestade, e reconhecer a nuvem que mais preocupa o navegante: o Cumulonimbus (Cb), com suas trovoadas, rajadas, granizo e, no extremo, tornados e trombas d'água.

Fonte: LOBO, Paulo Roberto Valgas. Meteorologia e Oceanografia — Usuário Navegante. Vol. I. 4. ed. rev. atual. ampl. Petrópolis: Vozes, 2019. Cap. III — Desenvolvimento de atividades convectivas e Cb.

Edital: Anexo 2-A, Área V (Meteorologia e Oceanografia), item 18 (Desenvolvimento de atividades convectivas: 18.1 Processo convectivo; 18.2 Cumulonimbus) e item 15 (Sistemas Atmosféricos — tempestades severas). Relacionados: itens 13 (Cobertura do céu — nuvens e precipitação) e 14 (Precipitação) · Anexo 2-B, Área V, item 3 (Lobo/Soares — escopo definido pelo 2-A).

O fio condutor é a energia. A convecção transporta uma quantidade extraordinária de energia dos baixos para os altos níveis, e a sua fonte principal é o calor latente armazenado no vapor d'água. Saber de onde vem essa energia, como ela é liberada e que sinais a nuvem dá à superfície permite ao navegante antecipar o mau tempo e medir o seu risco.

2. Processo convectivo e condições propícias

2.1 O processo convectivo

O processo convectivo caracteriza-se pela ascensão natural e espontânea do ar quente. Ele começa com uma simples circulação direta: a radiação solar aquece a superfície, a superfície aquece o ar que está em contato com ela, esse ar fica menos denso e sobe.

A ascensão do ar quente reduz a pressão atmosférica à superfície. A queda de pressão facilita a convergência do ar à superfície, necessária para suprir, com escoamento contínuo, a região onde o ar está subindo. Se o ar que converge continuar a se aquecer, a ascensão se mantém e o processo prossegue.

Mantido e intensificado, o processo evolui: formam-se nuvens Cumulus, estas podem evoluir para Cumulonimbus e, com elas, surgem turbulência em níveis elevados, trovoadas, relâmpagos e intensa precipitação. Se as condições forem propícias, o processo se desenvolve espontaneamente até atingir a intensidade de tempestade ou tormenta.

Na costa, a atividade convectiva tem ritmo diário. Começa pela manhã, por volta das 0900 h, e se desenvolve ao longo do dia, alimentada pelo aquecimento contínuo do continente. O ar continental aquecido sobe; em baixos níveis converge o ar marinho, mais frio; a nebulosidade desloca-se para o interior; em altos níveis há divergência e, sobre o mar costeiro, movimento descendente. A circulação do ar marinho úmido sobre o continente aquecido libera muito calor latente e favorece a formação de nuvens de desenvolvimento vertical, do tipo Cb.

O motor é o aquecimento diferenciado da superfície. Onde uma região se aquece mais que as vizinhas, surge um gradiente horizontal de temperatura e, por consequência, um gradiente horizontal de pressão. Na região aquecida, o ar quente, menos denso, sobe; ao subir, expande-se; e, por expandir-se, resfria-se. Ele continua subindo, expandindo e resfriando até parar — no ar seco, a ascensão cessa quando o ar fica suficientemente frio, pois não há fonte de energia que o aqueça naquele novo nível.

2.2 Energia: o calor latente do ar úmido

No ar seco não há fonte de energia em altitude. No ar úmido, sim: o calor latente armazenado no vapor d'água. Por isso, uma das condições favoráveis para intensificar a convecção é o ar estar bastante úmido.

O ar quente e úmido sobe naturalmente até o nível de condensação — a altitude em que atinge a saturação, com umidade relativa de 100%. Nesse nível, a temperatura é a do ponto de orvalho (TPO). A partir dele, o vapor começa a condensar e libera calor latente gradualmente, à medida que o ar úmido continua a subir, expandir e resfriar.

As condições ficam bastante propícias quando, além da grande liberação de calor latente (vinda da condensação de ar muito quente e muito úmido), há também forte gradiente horizontal de temperatura à superfície e, por consequência, acentuado gradiente horizontal de pressão. Esse quadro favorece intensa convergência de ar quente e úmido para a baixa pressão à superfície, onde o ar ascende continuamente enquanto a convecção se desenvolve.

2.3 Convergência, divergência e a célula convectiva

A forte corrente ascendente produz divergência em altos níveis e, em consequência, correntes descendentes e divergência à superfície nas regiões vizinhas próximas à baixa. É isso que completa e estimula a circulação direta — e, portanto, o processo convectivo. Ao nível onde a coluna de ar passa de divergência para convergência (ou vice-versa) dá-se o nome de nível de divergência nula.

Quando a convecção é desencadeada numa região, forma-se uma circulação vertical e horizontal acoplada que interage com as áreas vizinhas, constituindo uma célula: a extremidade ascendente fica sobre a baixa pressão à superfície (B) e a extremidade descendente sobre a alta (A).

Quando o processo ocorre na região marítima, fica clara a importância da umidade. Por isso o desenvolvimento convectivo é extraordinário na Zona de Convergência Intertropical (ZCIT) e na região tropical marítima. A própria energia que sustenta os furacões provém da umidade do ar marinho — razão pela qual eles enfraquecem e se dissipam ao penetrar no continente.

2.4 Outros forçantes da convecção

Até aqui o processo foi originado pelo aquecimento da superfície. Mas a atividade convectiva também pode ser disparada por outros fatores que forçam a elevação da massa de ar:

Para haver desenvolvimento, porém, essas correntes ascendentes precisam satisfazer as condições de intensificação: o ar ascendente deve ser quente e bastante úmido. Em linhas de instabilidade é comum observar tempo severo, com ventos muito fortes e intensa precipitação de chuva e granizo. Convém, então, o navegante estar atento à ocorrência desses fatores na área marítima de seu interesse.

3. A nuvem Cumulonimbus (Cb)

3.1 Características do Cb e suas consequências

As nuvens do tipo Cumulus são mais espessas que as do tipo Stratus e Cirrus. Podem ser constituídas de gotículas de água e, quando o desenvolvimento vertical supera a altitude do nível de congelamento, também de cristais de gelo. Formam-se por processos mais complexos que as Stratus e podem apresentar enorme desenvolvimento vertical — caso do Cumulonimbus (Cb).

Essas grandes nuvens contêm muito vapor d'água, água e gelo em constante movimento, em correntes ascendentes e descendentes. Isso provoca grande turbulência na atmosfera e afeta a superfície com fortes rajadas de vento.

Essa situação é bastante preocupante para os velejadores, pelas prováveis avarias nas velas. A presença de um Cb pode trazer forte turbulência, precipitação intensa em pancadas, relâmpagos e trovões, granizo, ventos muito fortes, rajadas, rápidas quedas de temperatura e, em alguns casos, acentuadas variações de pressão — o que pode propiciar a ocorrência de tornado ou tromba d'água.

O Cb atinge elevadas altitudes. Ao longo do seu desenvolvimento vertical apresenta grande variabilidade de temperatura nos diversos níveis, com gotas de chuva e cristais de gelo nos níveis superiores. Os movimentos ascendentes e descendentes no seu interior desencadeiam intensa turbulência e diferença de potencial elétrico, que resultam em relâmpagos e trovões — as trovoadas.

É uma nuvem observada como baixa, mas seu grande desenvolvimento vertical ocupa muitos níveis de altitude, chegando a atingir os limites da troposfera. No topo apresenta extensa nuvem de cristais de gelo tipo Cirrus, em forma de bigorna, espalhada pelo movimento divergente do ar naquela altitude. À superfície, o movimento é convergente em direção à base do Cb, carreando ar quente e umidade que alimentam a nuvem de energia: a corrente ascendente favorece a convecção intensa no centro do Cb, com condensação e liberação de calor latente.

3.2 Trovoadas: relâmpago e trovão

O navegante pode constatar a presença de Cb nas proximidades ao observar relâmpagos e trovões, vindos de descargas elétricas dentro da própria nuvem, dela para o solo ou para outra nuvem. A única nuvem que normalmente apresenta trovoadas é a Cumulonimbus; eventualmente também se observam trovoadas em alto Cumulus, no processo de fortes trovoadas.

Como a velocidade da luz é muito maior que a do som, o navegante sempre percebe o relâmpago antes do trovão. Quando os relâmpagos ocorrem a mais de 20 quilômetros de distância, já não se ouve mais o trovão; à noite, porém, ainda se pode ver o clarão a distâncias maiores. Daí dois indícios úteis: o navegante pode observar um Cb além do horizonte, em determinado azimute, pela ocorrência de trovoadas — e a observação de trovoada é um bom indício de chegada de mau tempo.

Em nuvens Cb com fortes trovoadas, rajadas de vento superiores a 30 nós precedem o temporal. O Cb apresenta cor escura, obstruindo consideravelmente a passagem da luz solar; a chuva é forte, pode vir com granizo e é acompanhada de vento descendente forte. Na fase de maturidade, o Cb apresenta movimento descendente do ar, com rajadas de grande intensidade na direção do seu deslocamento, atingindo extensa região.

3.3 Tornado e tromba d'água

O tornado ou tromba d'água resulta de intensa atividade convectiva e da liberação de calor latente no interior de uma imensa nuvem Cumulonimbus, que desencadeia em sua base uma sucção de ar de extrema violência — efeito semelhante ao de um gigantesco aspirador de pó. Essa sucção apresenta circulação em redemoinho, com elevadíssima velocidade.

3.4 Ciclo de vida do Cb

O Cb tem um ciclo de vida em três fases bem marcadas:

3.5 Indícios de mau tempo

A presença de Cb nas proximidades é indício de mau tempo para os navegantes. Ela pode ser anunciada pela ocorrência de trovoada, de rajada, pelo deslocamento de nuvens Cirrus do tipo rabo de galo e por pancadas de chuva. Um Cb pode indicar área de intensa atividade convectiva isolada ou associada a um sistema frontal.

4. Aspectos relevantes — conceitos para o navegante

Convém o navegante reter os pontos a seguir, que sintetizam a relação entre a qualidade do ar ascendente e a intensidade da convecção.

Por isso, há situações bem distintas conforme o tipo de ar: ar frio e seco, ar frio e úmido, ar quente e seco, ar quente e úmido e, no extremo, ar muito quente e muito úmido. Nesta última situação observa-se o desenvolvimento de intensa atividade convectiva, com Cb, rajadas de vento, granizo e trovoadas. Em linha de instabilidade observa-se a chamada instabilidade convectiva.

A relação entre temperatura, umidade e energia segue uma proporção direta. Quanto maior a temperatura do ar ($T$), maior a umidade absoluta máxima e, portanto, maior a energia que pode ser armazenada na umidade absoluta real desse ar — logo, maior liberação de calor latente e maior possibilidade de tempestade com Cb. O inverso vale para ar mais frio: menos umidade absoluta máxima, menos energia armazenada, menor possibilidade de mau tempo severo.

No ar ascendente, a umidade relativa sempre aumenta (o ar resfria ao subir, aproximando-se da saturação) e o processo de convecção propicia a formação de nebulosidade. No ar descendente, ao contrário, a umidade relativa sempre diminui (o ar aquece ao descer) e a convecção é inibida, com céu mais limpo. A denominação de ar seco ou úmido depende da sua umidade relativa — daí ser possível ter ar frio seco, ar frio úmido, ar quente seco ou ar quente úmido.

A inclinação da rampa de subida do ar determina a intensidade da convecção e, portanto, os tipos de nuvem. A rampa de uma frente fria, bem íngreme, propicia intensa convecção com Cb e concentra as nuvens em estreita faixa; a rampa de uma frente quente, suave, desencadeia convecção moderada, com Stratus e Cumulus, espalhando as nuvens em grandes áreas. Essa diferença permite interpretar frentes frias e quentes numa imagem de satélite no infravermelho (IR).