Estabilidade Atmosférica

Pré-requisitos

Este artigo leva em conta que você já domina:

  • Umidade e temperatura do ar;
  • Ponto de orvalho; e
  • Atmosfera padrão.

Por que algumas vezes nós pegamos turbulência com o céu limpo, sem nenhuma nuvem… E em outras vezes o céu está nublado, chuvoso, e o voo é tranquilo?

Na verdade, a estabilidade atmosférica não tem nada a ver com o céu estar claro ou fechado. Ela se baseia em outro fator.

Se você souber qual é, vai entender muito mais sobre o comportamento da atmosfera, e vai ser capaz de prever o que vai acontecer durante o voo, sem surpresas no meio do caminho.

Por isso, se você quiser olhar pro céu e saber imediatamente se o voo será tranquilo ou não, continue lendo para se tornar um guru meteorológico em:

  • Tipos de equilíbrio estático;
  • Mecanismos de ascensão do ar;
  • Processo adiabático;
  • Razões adiabáticas e gradiente térmico vertical;
  • Nível de condensação convectiva;
  • Tipos de estabilidade atmosférica;
  • Relações entre GTV, RAS, RAU e estabilidade ou instabilidade do ar.

1. Tipos de equilíbrio

Vamos começar revisando um conteúdo que aprendemos lá no ensino médio. De acordo com a Primeira Lei de Newton,

Todo corpo continua em seu estado de repouso ou de movimento uniforme em uma linha reta, a menos que seja forçado a mudar aquele estado por forças aplicadas sobre ele.

Fonte: Wikipedia

É o princípio da inércia.

Simplificando, se nenhuma força for aplicada, o que estava em movimento vai continuar em movimento, e o que estava parado vai continuar parado. Simples.

Porém, e se nós aplicarmos uma força? O que acontece depois?

Há 3 possibilidades:

  1. O corpo vai voltar para onde ele estava (estável);
  2. O corpo vai continuar o movimento na direção da força que nós aplicamos (neutro);
  3. O corpo vai continuar e acelerar o movimento na direção da força que nós aplicamos (instável).

Para ficar mais claro, veja a imagem abaixo:

Fonte: Pilot’s Handbook of Aeronautical Knowledge (FAA)

No primeiro caso, a bola foi empurrada para a direita, mas volta para onde estava (estável).

No segundo, após ser empurrada, ela continua naquela direção, sem acelerar nem frear (neutro).

E no terceiro, ela continua na mesma direção e rola cada vez mais rápido (instável).

Ou seja, dependendo do que acontece a um corpo após a aplicação de uma força, há 3 tipos de equilíbrio: estável, neutro ou instável.

Na atmosfera também funciona assim.

Obs.: O que estamos analisando aqui é apenas o equilíbrio estático. Também existe o equilíbrio dinâmico na teoria de voo.

2. Equilíbrio na atmosfera

Imagine uma molécula de ar na atmosfera. Em condições normais, devido à inércia, ela fica parada no mesmo lugar.

No entanto, alguns fatores podem forçá-la a subir:

Fonte: Weather.gov

O primeiro é a convecção – quando a superfície é aquecida pelo Sol, ela esquenta o ar mais próximo dela. Com isso, esse ar expande, ficando menos denso (“mais leve”), e subindo.

O segundo é a orografia – quando o ar é forçado a subir ao encontrar uma elevação no terreno.

O terceiro é a convergência: quando o ar flui de várias direções para o mesmo ponto (em um sistema de baixa pressão, por exemplo), ao invés de esmagar quem está ali rs, ele sobe.

E o quarto é uma frente, na qual o ar frio força o ar quente a subir.

Esses são os 4 fatores que podem tirar uma molécula de ar da inércia e forçá-la a subir. O que nós vamos analisar agora é o que acontece depois que esses fatores deixam de existir.

Quando acaba a convecção, orografia, convergência ou frente, a molécula tende a descer e voltar para a posição original (estável), continuar subindo na mesma velocidade (neutro) ou subir cada vez mais rápido (instável)?

3. O que significa “adiabático”?

A estabilidade da molécula depende do ar ao seu redor. Se ela estiver mais densa (“mais pesada”) do que ele, ela vai descer. E se estiver menos densa (“mais leve”), vai subir.

E, como eu falei na convecção, a densidade do ar está diretamente ligada à temperatura. Quanto mais quente o ar estiver, menor é a sua densidade (e quanto mais frio, mais denso).

Então…

  1. Se a molécula estiver mais quente que o ar à sua volta, ela vai subir cada vez mais rápido (instável);
  2. Se estiver na mesma temperatura, vai manter o movimento anterior (neutro); e
  3. Se estiver mais fria, vai descer e voltar para a posição original (estável).

Mas essa análise tem uma peculiaridade. Ela precisa ser feita imediatamente, no exato instante em que a força deixa de ser aplicada sobre a molécula (quando os fatores param de forçá-la a subir).

Porque, se nós deixamos o tempo passar, a molécula e o ar ao redor dela vão trocar calor (um esquentando e o outro esfriando), até que ambos vão estar na mesma temperatura. Aí, não dá mais para saber se a atmosfera está estável, neutra ou instável.

O processo precisa ser adiabático, ou seja, sem troca de calor. Nele, a molécula muda de temperatura mas não esquenta nem esfria o ar ao redor, e nós podemos comparar as temperaturas e descobrir se ela vai subir ou descer.

4. Como descobrir se a atmosfera está estável, neutra ou instável

Resumindo, precisamos obter a temperatura da molécula elevada adiabaticamente (sem troca de calor) e compará-la com a temperatura do ar ao seu redor.

Quando uma molécula de ar sobe adiabaticamente, ela expande e perde temperatura no processo¹. Os cientistas descobriram que isso acontece de uma forma previsível. Por exemplo, considerando ar seco:

  • Se ela subir 100 metros, vai perder 1ºC de temperatura;
  • Subindo 200 metros, vai perder 2ºC;
  • 300 metros, 3ºC;
  • E por aí vai.

A proporção na qual isso acontece é chamada razão adiabática.

No caso do ar seco, como vimos acima, ela é sempre igual a 1ºC a cada 100 metros (razão adiabática seca, ou RAS)

Porém, com ar úmido, a razão adiabática depende da quantidade de vapor d’água³. Mas, para as provas da ANAC, podemos considerá-la sempre igual a 0,6ºC a cada 100 metros (razão adiabática úmida, ou RAU).

A RAS e a RAU são utilizadas para calcular a temperatura da molécula. No entanto, a temperatura do ar ao redor não segue uma razão constante. Depende das condições atmosféricas.

Mesmo assim, ela recebe um nome: environmental lapse rate (ELR) ou gradiente térmico vertical (GTV).

Se você está com a memória boa, vai lembrar que na atmosfera padrão o GTV é sempre constante e igual a 2ºC a cada 1.000 pés.

Todavia, aqui nós estamos lidando com a atmosfera real e, como eu disse, não há um valor fixo. Portanto, esqueça os 2ºC a cada 1.000 pés ao fazer qualquer exercício de estabilidade atmosférica. O GTV será dado pela questão ou será fácil de calcular.

Veja o exemplo abaixo:

Fonte: https://richhoffmanclass.com/chapter4.html

No lado esquerdo, tem a altura e a temperatura ao redor. Repare que ela está diminuindo 5ºC a cada 1.000 metros, ou 0,5ºC a cada 100 metros. Esse é o GTV da atmosfera desenhada na imagem.

Já no meio da imagem tem a molécula. Antes de subir, ela está na mesma temperatura que o ar ao redor* (20ºC). Porém, conforme ela sobe, vai perdendo 1ºC a cada 100 metros (pois está seca), até chegar nos 1.000 metros a 10ºC.

Nesse momento, nós tiramos a foto e comparamos a temperatura da molécula (10ºC) com a temperatura ao redor (15ºC). A molécula está mais fria – mais densa – e, portanto, vai descer (atmosfera estável).

É assim que descobrimos se a atmosfera está estável, neutra ou instável. Mas ainda podemos tirar mais conclusões.

¹A diminuição da temperatura devido à diminuição da pressão é chamada expansão adiabática. Para mais detalhes sobre o processo físico e a fórmula relacionando as duas variáveis, veja este artigo da Wikipedia.

²O motivo pelo qual a RAS é 1ºC a cada 100 metros está explicado aqui.

³Ao expandir e resfriar, parte do vapor d’água condensa e, ao fazer isso, libera calor. Esse calor latente liberado compensa em parte o tanto que a molécula resfriou ao subir, fazendo com que a RAU seja sempre menor do que a RAS.

*Isso sempre acontece. A diferença de temperatura entre a molécula e o ar ao redor surgem somente após a elevação adiabática, devido à possível diferença entre o GTV e a RAS/RAU.


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5. Calculando a altura da base da nuvem

Vou repetir a imagem anterior aqui.

Fonte: https://richhoffmanclass.com/chapter4.html

Observe que, a 2.000 metros de altura, algo acontece. Surge uma nuvem e a temperatura passa a diminuir 6ºC a cada 1.000 metros (RAU) ao invés de 10ºC a cada 1.000 metros (RAS).

Isso acontece porque, quanto mais frio o ar fica, menos umidade ele consegue carregar. Em outras palavras, quanto mais nós resfriamos o ar, maior a umidade relativa.

É por isso que um copo gelado começa a ficar “molhado” por fora. O copo resfria o ar e, com isso, ele não consegue mais carregar o mesmo tanto de umidade e acaba condensando.

Na atmosfera, é a mesma coisa. Conforme a molécula sobe, ela vai resfriando a 1ºC a cada 100 metros até não aguentar mais e formar uma nuvem. A partir desse ponto, entra a RAU e ela passa a resfriar apenas 0,6ºC a cada 100 metros.

Esse ponto é chamado nível de condensação convectiva (NCC). É onde a temperatura da molécula fica igual à temperatura do ponto de orvalho, ou seja, onde a umidade relativa é 100% e começa a condensação.

E nós podemos calculá-lo.

Eu não falei antes, mas o ponto de orvalho também varia de forma previsível na atmosfera. Ele diminui 0,2ºC a cada 100 metros.

Vamos fazer um exemplo numérico pra você ver como funciona. Suponha que a temperatura da molécula a 0 metros é de 24ºC e a temperatura do ponto de orvalho é de 20ºC:

A 0 metros: Tmol. = 24ºC e Tpo = 20ºC
A 100 metros: Tmol. = 23ºC e Tpo = 19,8ºC
A 200 metros: Tmol. = 22ºC e Tpo = 19,6ºC
A 300 metros: Tmol. = 21ºC e Tpo = 19,4ºC
A 400 metros: Tmol. = 20ºC e Tpo = 19,2ºC
A 500 metros: Tmol. = 19ºC e Tpo = 19ºC

Opa! A 500 metros as duas são iguais. Logo, o NCC é de 500 metros, e acima dele as duas temperaturas vão diminuir 0,6ºC a cada 100 metros (caso contrário, a temperatura da molécula ia ficar abaixo do ponto de orvalho e a umidade relativa acima de 100%, o que é meio difícil).

É assim que nós descobrimos o NCC. Porém, leva tempo ficar calculando de 100 em 100 metros. Existe uma forma mais fácil.

Se a temperatura da molécula diminui 1ºC/100 m e a temperatura do ponto de orvalho diminui 0,2ºC/100 m, você concorda que, a cada 100 metros, a diferença entre as duas diminui 0,8ºC (1ºC – 0,2ºC)?

Então, se a diferença entre elas diminui 0,8ºC a cada 100 metros, eu preciso saber quantos montinhos de 0,8ºC cabem na diferença (Tmol. – Tpo) para determinar a altura da base da nuvem (H ou NCC):

0,8ºC –100 m
(Tmol. – Tpo) –H

0,8 * H = 100 * (Tmol. – Tpo)
H = [100 * (Tmol. – Tpo)] / 0,8
H = 125 * (Tmol. – Tpo)

Essa é a fórmula para calcular a altura da base na nuvem (H ou NCC).

Jogando ela no exemplo anterior, fica:

H = 125 * (Tmol. – Tpo)
H = 125 * (24 – 20)
H = 125 * 4 = 500 metros

“Coincidentemente”, a mesma resposta que nós encontramos. 😎

6. Erros comuns

A fórmula acima é ótima e funciona sempre, mas tem um detalhe: a Tmol. e Tpo precisam estar na mesma altura.

Por exemplo: nós não podemos jogar na fórmula a Tmol. a 500 metros e a Tpo a 200 metros que vai dar tudo errado. Nesse caso, precisamos encontrar:

  1. A Tmol. a 200 metros;
  2. A Tpo a 500 metros; ou
  3. Ambas a 0 metros.

Para ficar mais claro, vou usar um exemplo numérico. Imagine que o exercício deu os seguintes dados e pediu para clacular a altura da base da nuvem:

  • Tmol. a 500 metros de 21ºC; e
  • Tpo a 200 metros de 17,6ºC.

Jogando direto na fórmula, fica:

H = 125 * (Tmol. – Tpo)
H = 125 * (21 – 17,6)
H = 125 * 3,4 = 425 metros

Vou te mostrar por que essa resposta está errada. Vamos fazer o que eu sugeri no item 1 (encontrar a Tmol. a 200 metros).

Como a Tmol. é diferente da Tpo nesse exemplo, a molécula ainda está seca (se estivesse úmida, elas seriam iguais). Então, podemos usar a RAS para encontrar a Tpo em diferentes alturas.

Se temos a Tmol. a 500 metros e queremos a Tmol. a 200 metros, precisamos descer 300 metros (500 – 200), certo? Ou seja:

1ºC –100 m
xºC –300 m

x = 3ºC

Portanto, de 500 para 200 metros, a Tmol. aumentou 3ºC (estamos descendo, a temperatura esquenta). Logo, a Tmol. a 200 metros é igual a 21 + 3 = 24ºC.

Agora nós podemos jogar na fórmula:

H = 125 * (Tmol. – Tpo)
H = 125 * (24 – 17,6)
H = 125 * 6,4 = 800 metros

Mas ainda não acabou! Nós usamos as temperaturas a 200 metros, lembra? Então, para encontrar o NCC, precisamos somar 200 ao valor encontrado pela fórmula: 200 + 800 = 1.000 metros. ✔️


Para provar que esse é o valor correto, vou fazer o que eu sugeri no item 2 (encontrar a Tpo a 500 metros). Como ela muda 0,2ºC a cada 100 metros, e estamos indo de 200 para 500 metros (ou seja, subindo 300 metros):

0,2ºC –100 m
xºC –300 m

x = 0,6ºC

Dessa vez, como estamos subindo, a temperatura cai 0,6ºC. Logo, a Tpo a 500 metros é de 17,6 – 0,6 = 17ºC. Jogando na fórmula:

H = 125 * (Tmol. – Tpo)
H = 125 * (21 – 17)
H = 125 * 4 = 500 metros

E, já que usamos as temperaturas a 500 metros, precisamos somar 500 ao valor encontrado: 500 + 500 = 1.000 metros. ✔️


Vou fazer agora o item 3 (ambas a 0 metros) pra arrematar. Nele, não precisamos somar nada, pois as duas temperaturas já vão estar a 0 metros.

Para encontrar a Tmol. a 0 metros partindo da Tmol. a 500 metros:

1ºC –100 m
xºC –500 m

x = 5ºC

Como estamos descendo, precisamos somar. Logo, a Tmol. a 0 metros = 21 + 5 = 26ºC

Para encontrar a Tpo a 0 metros partindo da Tpo a 200 metros:

0,2ºC –100 m
xºC –200 m

x = 0,4ºC

Como estamos descendo, precisamos somar. Logo, a Tpo a 0 metros = 17,6 + 0,4 = 18ºC

Finalmente, jogando ambas na fórmula:

H = 125 * (Tmol. – Tpo)
H = 125 * (26 – 18)
H = 125 * 8 = 1.000 metros ✔️

Em resumo: você pode usar a Tmol. e a Tpo em qualquer altura, contanto que ela seja a mesma, e que você some a altura ao final caso ela seja diferente de zero.

É que nem a Oi: simples assim rs.

Obs.: estou usando a sigla Tmol. porque lá no começo eu chamei esse ar que está subindo adiabaticamente de molécula. No entanto, a maioria dos livros fala em parcela de ar ou simplesmente em temperatura do ar. Nesse caso, lembre-se apenas de diferenciar a temperatura do ar que sobe adiabaticamente da temperatura do ar no restante da atmosfera.

7. Estabilidade ou instabilidade condicional

Agora que você já entende como uma nuvem se forma, vamos analisar as 3 situações em que isso pode acontecer.

A primeira é a que eu já mostrei antes, de céu estável:

Fonte: https://richhoffmanclass.com/chapter4.html

Repare agora nas temperaturas dentro da nuvem a partir dos 2.000 metros de altura. Na comparação com a temperatura ao redor, elas estão sempre mais frias.

Ou seja: nessa situação, independentemente de o ar estar seco ou úmido, a molécula de ar elevada adiabaticamente vai querer descer, voltando para a posição original (atmosfera estável). Chamamos isso de estabilidade absoluta.

A estabilidade absoluta acontece sempre que o GTV é menor que 0,6ºC a cada 100 metros (RAU) porque, nesse caso, a temperatura ao redor sempre diminui menos que a temperatura da molécula, estando ela seca ou úmida.

E se a temperatura ao redor diminui menos, isso significa que, na comparação, ela sempre vai estar mais quente. Logo, a temperatura da molécula vai estar mais fria, tendendo a descer e tornando a atmosfera estável.

Vamos analisar agora um segundo cenário:

Fonte: https://richhoffmanclass.com/chapter4.html

Aqui, em qualquer altura, a molécula está mais quente que o ar ao redor. Portanto, ela vai querer continuar subindo cada vez mais rápido, tornando a atmosfera instável. Chamamos isso de instabilidade absoluta.

A estabilidade absoluta acontece sempre que o GTV é maior que 1ºC a cada 100 metros (RAS) porque, nesse caso, a temperatura ao redor sempre diminui mais que a temperatura da molécula, estando ela seca ou úmida.

E se a temperatura ao redor diminui mais, isso significa que, na comparação, ela sempre vai estar mais fria. Logo, a temperatura da molécula vai estar mais quente, tendendo a subir e tornando a atmosfera instável.

Para finalizar, vamos analisar um terceiro cenário:

Fonte: https://richhoffmanclass.com/chapter4.html

Aqui, a estabilidade ou instabilidade depende. Enquanto a molécula está seca, o ar é estável. Porém, a partir da formação da nuvem, ela fica instável. Chamamos isso de estabilidade (ou instabilidade) condicional.

A estabilidade condicional acontece sempre que o GTV está entre 0,6ºC a cada 100 metros (RAU) e 1ºC a cada 100 metros (RAS).

Nesse caso, se a molécula estiver seca, ela vai esfriar mais rápido que a temperatura ao redor, tornando a atmosfera estável. No entanto, ao ficar úmida, ela esfria mais devagar, tornando a atmosfera instável.

É uma estabilidade que depende da condição da molécula (úmida ou seca).

Esses são os 3 principais tipos de estabilidade atmosférica. Porém, existem ainda dois casos especiais:

  1. Se o GTV for exatamente igual a 1,0ºC/100 m e a molécula estiver seca, ela não vai querer subir nem descer, vai simplesmente manter a inércia. É o que chamamos de estabilidade neutra.
  2. Outro caso de estabilidade neutra é quando o GTV é igual a 0,6ºC/100 m e a molécula está úmida.

Pontos-chave

  1. H = 125 (Tmol. – Tpo)
  2. Sempre usar a fórmula com as temperaturas na mesma altitude.
  3. GTV > 1,0°C/100m: instabilidade absoluta
  4. GTV = 1,0°C/100m: neutro em ar seco; instável em ar úmido
  5. GTV entre 0,6°C/100m e 1,0°C/100m: estabilidade condicional
  6. GTV = 0,6°C/100m: neutro em ar úmido; estável em ar seco
  7. GTV < 0,6°C/100m: estabilidade absoluta

Exercícios

  1. Quais são os 4 fatores que podem forçar o ar a subir?
  2. O que significa processo adiabático?
  3. Em qual gradiente poderá ocorrer trovoada: 0,4ºC/100 m ou 1,6ºC/100 m?
  4. A temperatura na superfície é de 25°C e a 500m é de 21°C. Considerando-se o ar seco, ele estará estável ou instável? E se estiver úmido?
  5. As temperaturas a 0 e a 600 metros são, respectivamente, 31ºC e 22°C. Considerando-se o processo adiabático, uma parcela de ar seco, em ascensão, chegará a 600 metros em que tipo de equilíbrio?
  6. As temperaturas a 0 e a 600 metros são, respectivamente, 31ºC e 28°C. Considerando-se o processo adiabático, uma parcela de ar seco, em ascensão, chegará a 600 metros em que tipo de equilíbrio?
  7. Na superfície, a temperatura do ar é de 22°C e do ponto de orvalho 18°C. Qual é a altura da base da nuvem?
  8. Uma aeronave voando a 400 m de altura verifica temperatura do ar 25°C e ponto de orvalho 21°C. Qual é a altura da base da nuvem?
  9. Sendo a temperatura do ar a 400 m de altura 23°C e a temperatura do ponto de orvalho a 350 m igual a 17,5°C, qual é a altura da base da nuvem?
  10. Nuvens encontram-se sobre um aeródromo com temperatura do ar de 15°C e do ponto de orvalho de 7°C. Qual é a temperatura do ar na base da nuvem? E do ponto de orvalho?
  11. Uma nuvem está a 1.200 metros de altura e a temperatura do ponto de orvalho em sua base é igual a 15°C. Qual é a temperatura do ar no solo?
  12. A base de uma nuvem está a 625 metros de altura e a temperatura no solo é de 30°C. Qual a temperatura do ponto de orvalho no solo?
  13. Uma nuvem tem base a 400 metros de altura e topo a 900 metros. Se a temperatura do ar na base da nuvem é de 10°C, qual é a temperatura do ar no topo?
  14. Determine a temperatura do ar e do ponto de orvalho, ambas à superfície, sabendo que a nuvem possui base a 1.500 metros e que a temperatura do ar a 2.500 metros, dentro da nuvem, é de 5°C.
  15. Uma nuvem tem sua base a 750 metros e o topo a 3.000 metros. Qual a temperatura do ar a 2.750 metros de altura se a temperatura do ponto de orvalho a 500 metros é de 14,4°C?
  16. Quanto maior for a diferença entre a temperatura do ar e a temperatura do ponto de orvalho, a base das nuvens convectivas será mais alta ou mais baixa?

Desafio

  1. No gráfico a seguir, a primeira coluna (cinza) representa o GTV; a segunda (azul), uma parcela de ar subindo e formando uma nuvem; a terceira (amarela), uma representação das temperaturas da parcela de ar; e a quarta (verde), uma análise da umidade relativa da parcela. Calcule a temperatura do ponto de orvalho na superfície, diga se a atmosfera está em estabilidade absoluta, instabilidade absoluta, estabilidade condicional ou estabilidade neutra, e explique por que o topo da nuvem ocorre a 2.000 metros.
Clique aqui para visualizar a imagem maior. Fonte: Weather.gov

Bônus

Algumas condições podem ser associadas ao ar estável ou instável, conforme o resumo abaixo:

  • Ar estável: visibilidade baixa, pouca ou nenhuma turbulência, nuvens estratiformes, precipitação intermitente ou contínua, formação de gelo opaco, alta pressão e divergência do ar.
  • Ar instável: visibilidade alta, ar turbulento, nuvens cumuliformes, precipitação em forma de pancada, formação de gelo claro, baixa pressão, convergência do ar e correntes ascendentes.
  • Estabilidade condicional: nuvens stratocumulus.

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