Slide 1 - Departamento de Ciências Atmosféricas

TEMPESTADES
Sites interessantes:
•http://www.srh.noaa.gov/srh/jetstream/mesoscale/tstrm_intro.htm
•http://www.tornadoproject.com/
•http://www.nssl.noaa.gov/edu/
•http://www.srh.noaa.gov/srh/jetstream/lightning/lightning_intro.htm
•http://thunder.msfc.nasa.gov/
•http://www.crh.noaa.gov/mkx/slide-show/tstm/index.html
DEFINIÇÃO
 Sistema “convectivo” local,
 de mesoescala
(2 a 200 Km, duração de uma a algumas horas),
 com uma ou mais nuvem cumulunimbus,
(portanto, com chuva)
 e, quando “severa”,
muita chuva, acompanhada de
raios e trovões (trovoada – “thunderstorm”),
fortes rajadas de vento,
granizo e, eventualmente,
tornados.
“CUMULUNIMBUS”
BIGORNA
Topo a 10-15 Km
Ventos em altos níveis
CHUVA
“ESCALA” DOS FENÔMENOS METEOROLÓGICOS
Sistemas “muito” diferentes
CONVECÇÃO NATURAL
Aquecimento diferenciado na superfície
 “flutuação” de “térmicas”
CORRENTES ASCENDENTES DE AR
INGREDIENTES NECESSÁRIOS
PARA A FORMAÇÃO DE
TEMPESTADES
1) Umidade (vapor d’água)
FONTES DE UMIDADE:
- São geralmente grandes corpos de água tais como
oceanos e grandes lagos.
- Regiões com vegetação abundante (evapotranspiração)
NO BRASIL :
- massa de ar marítimo tropical,
- ou Equatorial continental (Amazônia)
- nas estações mais quentes (primavera, verão, outono)
INGREDIENTES NECESSÁRIOS PARA A
FORMAÇÃO DE TEMPESTADES
2) “Instabilidade” atmosférica
- O ar é considerado “instável” quando
dado um deslocamento na vertical
para cima,
ele continua subindo
dado um deslocamento na vertical
para baixo
ele continua descendo
- Uma massa de ar “instável” é caracterizada por
ar quente e úmido próximo à superfície
e frio e seco em níveis mais altos.
INGREDIENTES NECESSÁRIOS PARA A
FORMAÇÃO DE TEMPESTADES
3) Um mecanismo de ascensão do ar
CONVECÇÃO NATURAL
CONVECÇÃO FORÇADA
BRISA MARITIMA:
Um mecanismo de ascensão do ar
9 pm to 9 am
(madrugada e manhã)
TEMPESTADES
e
CIRCULAÇÕES
LOCAIS
(brisa e ilha de calor)
9 am to 9 pm
(tarde e noite)
Ex.: chuvas de verão em SP
CICLO DE VIDA DE UMA TEMPESTADE
ESTÁGIO DE
CUMULUS
- Primeiro estágio de uma
tempestade
- Uma nuvem cumulus começa a se
desenvolver, até cerca de 6
Km de altura
- O ar dentro da nuvem é dominado
por “correntes ascendentes”,
com vórtices turbulentos nas
bordas da nuvem.
CICLO DE VIDA DE UMA TEMPESTADE
ESTÁGIO MADURO
- Estágio mais intenso e perigoso
- Atinge uma altura considerável (12 a 18 km)
- Coexistem fortes correntes ascendentes e
descendentes
- A corrente descendente é resultante da
evaporação da precipitação, que
causa o esfriamento (e aumento da
densidade) do ar
- A precipitação causa também um “arrasto” do ar
para baixo, intensificando as correntes
descendentes
- No solo, a corrente descendente fria se espalha e
forma uma “frente de rajada, a qual pode
incluir ventos danosos (“downburst”)
- No topo da tempestade a nuvem se espalha e
forma uma bigorna.
- Se a corrente ascendente for muito forte, uma
“bolha de nuvem” (chamada
“overshooting top”) irá aparecer
acima da bigorna.
- Sob o “overshooting top”: área preferencial para
a formação de fenômenos severos
(tornados, granizo, raios, ventos e
precipitação intensa)
CICLO DE VIDA DE UMA TEMPESTADE
ESTÁGIO DE DISSIPAÇÃO
- No estágio final as correntes
descendentes predominam
dentro da nuvem
- As correntes descendentes destroem
as correntes ascendentes,
cortando o suprimento de
umidade.
- Chuva leve e fracos ventos podem
permanecer por um tempo
durante este estágio, deixando
o topo de bigorna.
- Todo o ciclo de uma tempestade (do
estágio de cumulus ao de
dissipação) dura de 30
minutos a 1 hora.
Classificação de tempestades
 Tempestade de célula única ou “tempestade de massa de ar” : Tem
duração típica de 20-30 minutos. Tempestades “pulsantes” podem
produzir fenômenos severos tais como “downbursts”, granizo,
chuva intensa e, ocasionalmente, tornados.
 Aglomerado multicelular : Um grupo de células se movendo em
conjunto, com cada célula em diferentes estágios de
desenvolvimento. Tempestades multicelulares podem produzir
granizo de tamanho moderado, enchentes e tornados fracos.
 Linha multicelular (linha de instabilidade - squall line) : Consiste de
uma linha de tempestades com uma “frente de rajada” continua e
bem desenvolvida, na dianteira da linha. Tem longa duração e
podem produzir granizo de tamanho pequeno a moderado,
enchentes ocasionais e fracos tornados
 Supercélulas: Definida como uma tempestade com correntes
ascendentes girantes, essas tempestades podem produzir fortes
“downbursts”, granizo de grandes tamanhos, e tornados de fracos a
violentos. Ocorrem em ambiente com forte cisalhamento do vento.
Aglomerado Multicelular
Linha Multiceleular
(Linha de Instabilidade “Squall Line”)
Linha de Instabilidade em Rondônia
Supercélulas
“Cisalhamento” do vento
(direcional e de velocidade)
Cisalhamento direcional :
mudança na direção do vento com a altura
No HS
- vento girando com altura no sentido horário
significa advecção de ar frio em baixos níveis
(o que “estabiliza” a atmosfera)
- vento girando com altura no sentido anti-horário
significa advecção de ar quente em baixos níveis
(o que “instabiliza” a atmosfera)
Cisalhamento de velocidade :
mudança no módulo da velocidade do vento com a altura
Tende a criar “rolos” horizontais que,
quando são “levantados” (na vertical)
podem criar regiões de “mesociclones” que,
por sua vez, favorecem a formação de tornados
FORTE CISALHAMENTO DO VENTO (direcional e de velocidade)
é uma condição necessária para a manutenção de “supercélulas”
Fenômenos associados
a tempestades severas
VENTOS
RAIOS
TORNADOS
GRANIZO
ENCHENTES
GRANIZO
Formam-se quando as correntes
ascendentes carregam gotas de chuva
para os níveis mais frios da atmosfera
(altos níveis).
Crescem por colisão com gotas “superresfriadas” (gotas de água liquida em ar
com temperatura abaixo de zero).
Quando a corrente ascendente é forte, o
gelo que cai na corrente ascendente, é
levado novamente para cima,
sucessivamente, até atingir tamanhos
grandes o suficientes para vencer as
correntes ascendentes.
Quanto mais forte a corrente ascendente
(dias muito quentes), maiores são os
granizos formados.
VENTOS EXTREMOS (“downburst”)
Fortes ventos de tempestades podem atingir até 160 km/k na superfície
“Downburst” são mais comuns que tornados, mas às vezes são confundidos com eles.
A diferença é que nos tornados os escombros são espalhados em espiral,
enquanto que nos “dowburst’s” eles são espalhados em linha reta.
O “downburst” é iniciado
pelo arrasto do ar
pela precipitação, para
baixo, e é intensificado
pela evaporação da
chuva
Podem ser muito perigosos durante o pouso
e decolagem de aeronaves.
ENCHENTES (chuvas intensas)
Causada por tempestades que se deslocam lentamente,
ou tempestades seguidas sobre a mesma região.
Podem ocorre em questão de minutos ou horas, dependendo da
intensidade e duração da chuva,
da topografia,
condições do solo, e do
tipo da cobertura da superfície
Podem derrubar construções,
arrancar árvores,
provocar deslizamentos e,
posteriormente, provocar doenças.
Tem grande dependência das “políticas públicas” do Governo
Definição :
TORNADOS
é uma coluna de ar com forte rotação
(geralmente anti-horária no HN, e horária no HS),
que desce de uma nuvem de tempestade até o solo.
Geralmente tem duração menor que 10 minutos, porém
alguns podem durar mais de uma hora,
e atravessar vários quilômetros,
causando danos consideráveis
A maioria dos tornados são formados em “super-células”
(tempestade caracterizada por uma forte e
persistente corrente ascendente em rotação,
que se forma em ambiente com forte cisalhamento
vertical - em direção e intensidade - do vento)
A formação da “SUPER-CÉLULA”
A corrente ascendente inclina a
coluna de ar em rotação gerada
pelo cisalhamento em
velocidade do vento
Isso gera duas rotações diferentes:
rotação ciclonica (anti-horária no HN e horária no HS)
rotação anti-ciclonica (horária no HN e anti-horária no HS)
O cisalhamento direcional do vento
amplifica a rotação ciclonica e
diminui a rotação anti-ciclonica.
O que resta é uma rotação ciclonica chamada de “meso-ciclone”,
que caracteriza a “supercélula”
A “super-célula” vista pelo Radar
Visto por cima,
a rotação anti-horária (no HN)
do mesociclone dá à super-célula
sua aparência clássica de
“gancho”,
quando visto pelo radar.
HN
A imagem abaixo foi observada no Texas,
em 28 de março de 2000, às 19 hs.
HS
O processo de formação do TORNADO
… o processo exato ainda não é conhecido
A “nuvem” funil de um tornado consiste
de ar úmido.
Quando o funil “desce” o vapor d’água
nele é condensado na forma de
gotículas.
As gotículas líquidas são idênticas às da nuvem, porém não
são consideradas como parte dela, já que são
formadas dentro do funil.
O funil descendente se torna visível por causa dessas
gotas, e adquire, portanto a cor da nuvem (branca).
TORNADO
Devido ao movimento do ar, poeira e escombros na superfície
começam a girar, às vezes subindo a dezenas de metros de
altura, e se espalhando , de forma circular,
a centenas de metros.
Depois que o funil atinge o solo e se torna um “tornado”,
a cor do funil pode mudar, dependendo do tipo de poeira e
escombro que existe por onde ele se move
(poeira vermelha produz tornado vermelho,
poeira preta, tornado preto,…)
O tornado perde intensidade gradualmente.
O funil diminui de tamanho e o tornado
se torna inclinado com a altura,
adquirindo a aparência de uma “corda”
retorcida até desaparecer completamente.
TORNADOS
TORNADOS sobre água  “tromba d’água”
BACIA DE CAMPOS (?) - 2003
“circularam” na Internet, autor desconhecido...... procura-se.
Classificação dos tornados
Classificados de acordo com os danos provados, pela “Escala F”
(de Teodore Fujita)
A escala F deve ser usada com cautela:
as velocidades nos tornados não são exatamente conhecidas;
diferentes velocidades de vento podem causar o mesmo estrago,
dependendo de diversos fatores :
(como são construídas as edificações,
direção e duração do vento, tipo de escombro que voa, etc)
Escala-F
Classe
F0
Velocidade do vento
Descrição
mph
km/h
fraco
40-72
64-116
ventania
F1
fraco
73-112
117-180
moderado
F2
forte
113-157
182-253
significativo
F3
forte
158-206
254-332
severo
F4
violento
207-260
333-419
devastador
F5
violento
261-318
420-512
inaceditável
REGIÕES E ÉPOCAS
DE OCORRÊNCIA DE TORNADOS
PRIMAVERA
RAIOS
Um dos mais antigo fenômenos da natureza,
observado e temido pelo homem ….
(Zeus, Odin/Thor, Iansã, Santa Bárbara, ....)
mas ainda um dos menos entendido…..
(pela ciência)
Embora seja “simplesmente” uma gigantesca
faísca elétrica, pouco se sabe como ocorre, e
qual sua importância no “sistema” Terra.
Raios são observados em
erupções vulcânicas,
incêndios florestais intensos,
detonação nuclear em superfície,
fortes tempestades de neve, e ,
principalmente, em tempestades severas.
Ocorrência de RAIOS na Terra
Em qualquer instante,
podem estar ocorrendo até 2000 trovoadas na Terra.
Isso significa mais de 14,5 milhões de tempestades por ano,
sendo que cada tempestade produz cerca de 40 raios por seg.!!!
.... Vivemos num planeta eletrificado.
Raios/Km2ano
REGIÃO
TROPICAL
SOBRE
TERRA
Como o raio é gerado ?
1o . Geração das cargas elétricas na nuvem:
Necessária a presença de
cristais de gelo, granizo, e gotas de água super-resfriadas
e fortes correntes ascendentes
Quando as partículas de gelo mais pesadas
(granizo) caem, chocam-se com as
gotículas de água super-resfriadas e
cristais de gelo, e “capturam”
elétrons dessas partículas.
As partículas mais pesadas (carregadas
negativamente) descem para a parte
inferior da nuvem, enquanto as mais
leves (carregada positivamente) são
carregadas, pelas correntes
ascendentes, para níveis superiores
das nuvens.
2o . Geração do campo elétrico:
A separação das cargas nas nuvens
produz um forte campo elétrico
entre sua base e topo.
Quanto maior a carga elétrica, mais forte é o campo
elétrico, e maior a atração entre as cargas.
Mas, a atmosfera é um bom isolante, então deve-se
formar uma ENORME carga elétrica antes
de acontecer o raio.
Quando um certo valor de carga é atingido, a força
do campo elétrico é maior que as
propriedades isolantes da atmosfera, então
acontece o raio (dentro da nuvem).
.
ALÉM DISSO, outro campo se forma (por indução)
entre a base da nuvem e o solo, e
acompanha a nuvem como uma “sombra”
enquanto elas se desloca.
Esse campo é mais fraco que o interno à nuvem,
o que faz com 75-80 % dos raios ocorram
“dentro” da nuvem.
TIPOS DE RAIOS
RAIOS INTRA-NUVEM
•RAIOS NUVEM-CÉU
• RAIOS NUVEM-NUVEM
•RAIOS NUVEM-SOLO
RAIOS POSITIVOS
++ +++
--- - -
Como o raio acontece ?
• O raio nuvem-solo se inicia dentro da nuvem :
Sob a influencia do forte campo elétrico entre a nuvem e o solo,
um canal carregado negativamente, muito tênue e imperceptível,
chamado de “stepped leader“ – “líder escalonado” –
surge da base da tempestade e se propaga para o solo
em uma série de “faíscas” de ~ 50 m de comprimento
e com 1 microssegundo (1/1.000.000) de duração
• O “líder escalonado”:
Uma “avalanche de elétrons”,
ramificando-se para baixo
enquanto se aproxima do solo.
Carrega um potencial elétrico
EXTREMAMENTE forte –
~ 100 milhões de volts em relação ao
solo e cerca de 5 Coulomb de carga negativa
Pausa de cerca de 50 microssegundos,
o líder escalonado “olha” ao redor a procura
de algum objeto para atingir. Se nenhum é
“visto”, ele forma outro passo, e repete o
processo até “encontrar” um alvo.
• Duração do “líder escalonado”:
~ 50 milisegundos (1/20 de segundo) para atingir toda sua extensão.
Um único líder pode ser composto de mais de 10.000 “passos” (“faíscas”).
• Quando o líder escalonado se aproxima do solo:
sua forte carga negativa repele todas as cargas negativas
próximo a região onde ele irá atingir na superfície,
atraindo uma grande quantidade de carga positiva.
• A indução de “correntes” ascendentes (+) :
O afluxo de carga positiva
na região da ser atingida é tão forte
que o líder escalonado, na verdade,
induz que canais elétricos
(conhecidos como “streamers”)
subam da superfície em direção a ele.
• A última “faísca” do líder escalonado:
Quando uma dessas “correntes”,
positivamente carregada,
conecta com o líder escalonado
(entre 30 a 100 metros da superfície)
a próxima, e última, “faísca”
ocorre em menos de 100 microssegundos.
• Após o contato entre o “líder escalonado” e a “corrente” positiva :
A carga negativa do líder escalonado começa a fluir PARA BAIXO
pelo canal estabelecido, (e, portanto, uma corrente elétrica para cima)
• O “choque de retorno” :
forte corrente elétrica que sobe do solo para a nuvem
O pico da corrente
é atingido em ~1 microseg.
Com valor de ~ 30.000 Amperes
Produz mais de 99 % da
luminosidade do raio
Acontece tão rapidamente
que a impressão é que
vai de cima para baixo
• Após o “choque de retorno”:
Se mais carga elétrica negativa estiver disponível na nuvem,
dentro de um intervalo de 20 a milisegundos,
pode-se formar um novo “líder” (“faísca”) que se propaga para o solo
• O “líder dardo” :
Esse “líder” é chamado de “líder dardo”
e não é ramificado, pois segue o caminho
já estabelecido pelo “líder escalonado” e
“choque de retorno” iniciais.
O “líder dardo” dá ao relâmpago sua
aparência de “piscante”
Nem sempre todo raio produz um “líder
dardo”
O pico da corrente do “líder dardo” é
normalmente menor que a do “líder
escalonado” inicial e seu “choque de
retorno” tem uma duração mais curta que
o “choque de retorno” inicial.
Como o raio é visto:
O TROVÃ0
“Onda de choque” acústica, gerada pela súbita expansão do ar,
devido ao aquecimento do canal por onde passa o raio,
que atinge uma temperatura de 30.000 C
(5x a temperatura na superfície do sol !!!),
em uma fração de segundo.
A onda de choque acústica é gerada em cada ponto do caminho do raio
(a ilustração mostra somente 4 pontos)
Próximo ao raio, a pessoa escuta uma forte explosão,
e a medida que outras ondas de choque chegam
de regiões mais distantes,
o som ouvido tem menor intensidade e maior duração.
A QUE DISTÂNCIA “CAIU” O RAIO ?
Velocidade da luz : ~ 300.000 Km/s (...“instantânea” !!!)
Velocidade do som : ~ 300 m/s
A temperatura do ar afeta o som do trovão e a distância que se pode escutá-lo:
Em ar quente, o som se propaga mais rapidamente que em ar frio.
Normalmente a temperatura do ar decresce com a altura e,
quando isso ocorre, o trovão é audível a uma distância de até ~16 Km.
Porém, quando a temperatura aumenta com a altura (“inversão térmica”)
as ondas de som são refratadas para baixo,
fazendo com que o som do trovão seja mais intenso
e tenha maior duração.