Ciclones

Transmissão de Calor
e
Meio Ambiente
docente Professor Doutor Antonio César Germano Martins
discente Tainá Cristhina Nogueira João 220359
Unesp Campus Sorocaba-Iperó
2006
Introdução
Inundações de estradas costeiras, corte de estradas, árvores tombadas, partidas,
arrancadas pela raiz, ramos partidos, destruição de casas, erosão extensiva das praias,
colapso de edifícios. Essas são algumas das muitas conseqüências de ciclones e
tornados em todo o mundo.
Embora todos esses problemas sejam considerados "acidentes ambientais" e
diretamente não estejam relacionados com atividades antrópicas, devem ser estudados
para que se tornem cada vez mais previsíveis e provoquem menor quantidade de
prejuízos ao homem.
Para entender a ocorrência dos ciclones, principal entidade meteorológica para sua
formação, é necessário explanar como ocorrem os fenômenos de transmissão de calor.
No presente estudo, os ciclones extratropicais foram analisados com maior ênfase.
Fenômenos de Transmissão de Calor
O desequilíbrio na atmosfera é gerado pura e unicamente por fenômenos de
transmissão de calor, que podem resultar em grandes (e muitas vezes incompensáveis)
prejuízos ao homem. Abaixo, explicaremos a convecção e suas implicações em
escalas menores, na formação de eventos como trovoadas, frentes de rajadas e até
mesmo tornados.
Convecção é definida como a forma de transmitir energia onde o calor é
transmitido através da massa se movimentando, neste caso sua atuação é
limitada à direção vertical, em ambos os sentidos (de cima para baixo e,
principalmente de baixo para cima).
O primeiro instante da convecção é dado quando a energia de insolação (que
conseguiu atravessar toda a atmosfera e seus obstáculos) começa a aquecer a
superfície, convertendo ondas curtas (alta energia) em ondas longas (calor
infravermelho).
Então as primeiras lâminas de ar, que estão em contato direto com a superfície,
começam a se aquecer rapidamente (dependendo do tipo de superfície, a
temperatura pode variar de 40 a 86ºC).
Aqui, a transferência de energia térmica é feita por condução, molécula a
molécula, gerando uma extrema instabilidade na superfície laminar.
Qualquer efeito mecânico que perturbar a área, como uma leve brisa ou um
automóvel passando será suficiente para ativar o processo convectivo. Caso
nenhum efeito ocorra, a própria convecção, pelo grande acúmulo de energia, se
autoinicia. O levantamento convectivo se fecha e a tensão superficial da bolha
a mantém praticamente estável e em ascensão numa razão de subida de cerca
de 10 m/s.
Esta bolha transporta calor sensível e latente: no início, a energia é considerada
calor sensível, pois estava aquecendo o ar ao seu redor. Enquanto aquecia, uma
parte dela foi utilizada para evaporar água que estivesse disponível em
superfície. Ao ceder energia de calor sensível para evaporar água, parte desta
energia foi armazenada na parcela em forma de calor latente.
Devido ao aquecimento de uma parte da atmosfera que gera sua subida, ocorre
a formação de uma diferença de pressão, ou seja, a quantidade de ar que
ocupava a região próxima ao solo agora é uma bolha em ascensão. Então
parcelas adjacentes da atmosfera “ocupam o lugar”desta parcela de ar segundo
prega a Propriedade da Continuidade e dependendo do tamanho da bolha de ar
aquecido e sua velocidade de subida, a descontinuidade do campo de pressão
formada neste processo é suficientemente grande para gerar perturbações na
atmosfera.
Cabe ressaltar que os fenômenos físicos geradores de ciclones são mais
amplamente explicados no tópico Fatores para o Desenvolvimento de um
Ciclone Extratropical.
Ciclones
Os ciclones são movimentos circulares de ar fortes e rápidos. Recebem o nome de
furacões ou tufões dependendo do lugar em que se formam e se forem tropicais,
respectivamente nos oceanos Atlântico ou Pacífico.
Os ciclones tropicais são regionalmente denominados da seguinte maneira:
* furacões - no Oceano Atlântico Norte, Oceano Pacífico Nordeste a leste da linha
internacional da data e no Oceano Pacífico Sul a leste da longitude 160°E;
* tufões - no Oceano Pacífico Noroeste a oeste da linha internacional da data;
* ciclone tropical severo - no Oceano Pacífico Sudoeste a oeste da longitude 160°E
e no Oceano Índico Sudeste a leste da longitude 90°E;
* tempestade ciclônica severa - no Oceano Índico Norte; e
* ciclone tropical - no Oceano Índico Sudoeste.
Classificação
Os ciclones são classificados em dois grandes grupos:
Ciclones Tropicais
São os ciclones que atuam na área tropical do planeta, prevalecendo características
convectivas para a manutenção de vida do sistema que é composto por dezenas a
centenas de nuvens Cumulonimbus (Cb) em uma convecção organizada
Em imagens pode-se observar diversas bandas nebulosas, compostas por nuvens
convectivas organizadas do tipo Cb, com mais de um braço ciclônico.
Ciclones Extratropicais
São os ciclones que atuam foram da área tropical do planeta, principalmente nas
médias latitudes, prevalecendo características termodinâmicas para a manutenção de
vida do sistema; fator fundamental para toda a energética do ciclone
Em imagens observa-se um único braço nebuloso, em forma de espiral ao redor do
centro de baixa pressão, onde o ar quente e úmido alterna-se com o ar frio e seco.
Há também os ciclones extratropicais polares que atuam próximos à linha de
convergência e proximidades, prevalecendo características termodinâmicas para a
manutenção de vida do sistema.
Em imagens é visível a presença do braço nebuloso, com muitas nuvens altas de gelo.
O ar frio e seco alterna-se com o quente e mais úmido sem mistura visível.
Fatores para o Desenvolvimento de um Ciclone Tropical
1. Águas oceânicas quentes (pelo menos 26,5 graus Celsius) em uma camada
suficientemente profunda (da ordem de 50m). Essas águas quentes
“alimentarão” o funcionamento da ciclogênese tropical em termos térmicos.
2. Uma atmosfera que se resfrie rapidamente com a altura para que seja
potencialmente instável à convecção úmida, sendo esta atividade convectiva
responsável pela liberação do calor armazenado nas águas para o interior do
ciclone.
3. Camadas relativamente úmidas perto da média troposfera (5 Km). Níveis
médios secos não conduzem ao contínuo desenvolvimento de atividade
convectiva em uma vasta área.
4. Uma distância mínima de 500 Km da linha do Equador, para ocorrer
ciclogênese tropical, há o requisito de uma força de Coriolis não desprezível
para que o centro de baixa do distúrbio seja mantido
5. Um distúrbio pré-existente próximo à superfície com vorticidade e
convergência suficientes. Ciclones tropicais não podem desenvolver-se
espontaneamente, pois necessitam de um sistema levemente organizado com
rotação considerável e influxo nos baixos níveis.
6. Valores baixos de Cisalhamento vertical de vento entre a superfície e a alta
troposfera. Valores altos de cisalhamento desfavorecem ciclones tropicais
incipientes e podem prevenir sua gênese ou, no caso de um ciclone já
formado, pode enfraquece-lo ou até mesmo destruí-lo dada sua interferência
com a organização convectiva em torno do centro do ciclone.
Fatores para o Desenvolvimento de um Ciclone Extratopical
1. Forte gradiente de temperatura conforme varia a latitude
A distribuição da temperatura do ar em superfície não é homogênea conforme se
caminha do Equador para os pólos, principalmente no Hemisfério Sul; são 0,83
graus Celsius por grau de latitude, sugerindo que qualquer movimento de ar em
que seus fluxos interceptem seus vizinhos, poderá ocorrer desequilíbrio e
movimento de massa, provocando transportes quentes ou frios nestas latitudes.
2. Perturbação da Onda Longa Planetária por Ondas Curtas
Perturbações rápidas geradas na troposfera poderão interferir na oscilação de
ondas longas planetárias, normais da atmosfera (que são ondas de baixa
freqüência). Para entender este fator estudamos alguns efeitos recursivos:
a. a atmosfera é extremamente rasa de modo que, em relação ao planeta, ela é
considerada apenas uma película e além disso cerca de 85% dela está
concentrada na troposfera, ou seja, sua maior densidade está dentro de uma
altitude média de 10 Km
b. se a atmosfera é composta de ar e este é um fluido, podemos considera-la e
aplicar à ela as propriedades de fluidos, como se fosse um grande oceano, com
ondas (chamadas longas) que rodeiam o planeta
c. a tropopausa é considerada superfície limitante para a troposfera, que por sua
vez, representa aqui toda a atmosfera.
2.1 Presença de Montanhas
Quando o ar atmosférico se desloca sobre a rugosidade do terreno montanhoso ele
deve sofrer uma compressão durante seu escoamento quando sobe a montanha
(barlavento) e uma descompressão quando desce a montanha (sotavento). Este
efeito mecânico é suficiente para desencadear diversos processos físicos uma vez
que essas ondas são muito rápidas, com alta freqüência, se propagando pelo ar e
perturbando as ondas longas presentes na atmosfera, o que pode desencadear o
surgimento de frentes e ciclones.
2.2 Forte Convecção Local
O aquecimento da superfície da Terra durante o dia desencadeia o processo de
surgimento de bolhas térmicas, ou seja, conforme o ar próximo à superfície se
aquece, ele se eleva. A velocidade de ascensão das parcelas é muito grande (por
volta de 36 Km/h) e com o passar do tempo, essas bolhas térmicas fazem surgir
nuvens ao atingirem a altitude de condensação do vapor contido em seu interior,
chamado Nível de Condensação por Levantamento (NCL). Dependendo da
velocidade de ascensão e quantidade de vapor, as velocidades podem se elevar,
principalmente em se tratando de nuvens Cb de grandes tempestades (nestas a
velocidade de ascensão atinge impressionantes 200 Km/h).
Tanto o surgimento de bolhas térmicas quanto o desenvolvimeto de nuvens de
grande profundidade provocam ondas curtas, muito velozes, que perturbam as
ondas longas presentes na atmosfera.
2.3 Escoamentos Retilíneos e Velozes do Tipo Bernoulli
Em certos momentos e em altas latitudes grandes centros de baixa pressão podem
necessitar de rápido equilíbrio para garantir a Propriedade de Continuidade da
atmosfera (posto que não haja espaços sem massa suficientes na atmosfera). Para
compensar tais desequilíbrios provenientes de baixas pressões acentuadas, podem
ocorrer escoamentos muito fortes originados das regiões de alta pressão. Estes
escoamentos atingem altas velocidades e duram horas, devido a necessidade de
transportar massa suficiente para garantir o retorno do equilíbrio. Durante este
processo, diversas ondas curtas são emanadas pela troposfera que novamente
perturbarão a onda longa.
2.4 Outras Perturbações
Efeitos como a erupção de um vulcão, a explosão de uma bomba H ou A, um
amplo incêndio florestal também iniciam a liberação de ondas curtas na atmosfera
pois causam perturbações na troposfera.
Categorias de classificação
Os ciclones são classificados em 5 categorias, de acordo com a força dos ventos.
Categoria 1 — intensidade mínima, os ventos estão entre 118 km/h e 152 km/h.
Conseqüências:
Raízes de árvores abaladas, ramos partidos e derrube das mais expostas. Alguns
danos em sinalizações públicas e em casas móveis (ou pré-fabricadas). Pequenas
inundações das estradas costeiras e danos menores nos cais e paredões costeiros.
Categoria 2 — intensidade moderada, os ventos variam de 153 km/h a 176 km/h.
Conseqüências:
Árvores tombadas ou partidas. Alguns vidros de janelas partidos; veículos
deslocados para fora de rota; desprendimento ou descasque da superfície de
coberturas e anexos, mas sem danos maiores nas construções principais. Corte de
estradas por risco de inundação ainda antes da chegada do centro do furacão.
Evacuação dos residentes em zonas costeiras.
Categoria 3 — intensidade forte/significativa, os ventos ficam entre 177 km/h e
208 km/h.
Conseqüências:
Cheias severas nas zonas costeiras. Árvores arrancadas pela raiz. Alguns danos
estruturais em edifícios pequenos, principalmente nas zonas costeiras pelo
arrastamento de detritos e pelo impacto das ondas. Estradas costeiras inundadas
cerca de 5 horas antes da chegada do centro do furacão. Evacuação de residentes
até vários quarteirões para o interior.
Categoria 4 — intensidade extrema, os ventos situam-se entre 209 km/h e
248km/h.
Conseqüências:
Destruição e arrasto de árvores, sinalizações públicas, postes e outro tipo de
objetos. Destruição de casas móveis (ou pré-fabricadas) e danos consideráveis nos
telhados, vidros e portas dos edifícios mais sólidos. Erosão extensiva das praias.
Evacuação dos residentes até cerca de 3 km da costa.
Categoria 5 — intensidade catastrófica, os ventos passam de 249 km/h.
Conseqüências:
Os residentes até cerca de 16 km da costa podem ser evacuados. Destruição de
janelas e portas e colapso completo de alguns edifícios.
Atualmente...
A maioria dos especialistas em furacões e ciclones continua cética em relação a
uma possível ligação entre aquecimento global e o maior poder destrutivo de
fenômenos como o Katrina. Mas um artigo publicado recentemente na revista
Nature mostra que esta visão está começando a mudar.
O estudo conclui que a força destrutiva dos furacões e ciclones aumentou em 50%
ao longo dos últimos 50 anos, e que uma elevação na temperatura - relacionada ao
aquecimento global - está na causa desta mudança, pelo menos parcialmente.
"Eu era um daqueles céticos, até o ano passado", confessa o meteorologista Kerry
Emanuel, do MIT - Instituto de Tecnologia de Massachusetts (EUA), autor do
estudo.
Depois de analisar dados coletados por aviões de pesquisa sobre ciclones no
Pacífico e furacões no Atlântico, Emanuel passou a considerar uma tendência de
elevação na velocidade dos ventos e na duração das tempestades.
"Estamos começando a pensar seriamente se não há um sinal (de aquecimento
global) nisso, e acho que vamos ter de pensar muito mais neste tema nos próximos
anos", afirmou.
Na Holanda, um país que está abaixo do nível dos mares e sofre com os
ciclones extratropicais do mar do Norte e polares do Ártico, já percebeu que
os sistemas que atuam no seu litoral vêm se intensificando, tanto que já
levantaram uma enorme barragem, pronta em 1998, para tentar segurar as
altas ondas provenientes do mar do Norte (os ciclones, por interação ArMar, interferem no comportamento das ondas).
Até 2004 essa barragem já foi utilizada 22 vezes. Como se isso não
bastasse, Amsterdam é o principal porto holandês. Como porto, barragens
não seriam apropriadas, pois interromperiam o tráfego dos navios devido à
suas estruturas fixas.
Para resolver o problema, criou-se a maior barragem móvel do planeta,
composto por um imenso braço mecânico que pivoteia a estrutura dentro do
estuário. Com isto, montou-se o maior robô do mundo. Tal dispositivo
ainda não foi utilizado, porém estudos de projeções climatológicas
prognosticam que, por volta de 2020, os ciclones extratropicais do mar do
Norte serão muito mais intensos, com características híbridas, aumentando
ondas no litoral e provocando chuvas fortes no interior do continente. A
Holanda combaterá em duas frentes. O mar do Norte seria
vencido pelas novas barragens enquanto que as inundações, provocadas
pelas fortes chuvas com características tropicais no interior da Europa,
seriam desviadas para terrenos previamente escolhidos. Este é um exemplo
de que os ciclones extratropicais podem formar uma barreira de defesa ao
aquecimento imediato do planeta, contudo, com severas conseqüências em
outras áreas.
Galeria
Ciclone Tropical Elana sobre o Golfo do México
Ciclone Tropical Fay, Norte da Austrália
Ciclone Extratropical sobre o oceano Atlântico em Fase Madura
Ciclone Extratropical São Francisco, sobre o Atlântico e seu irmão gêmeo, o
Ciclone Extratropical Lobo, sobre o Pacífico
Ciclone Extratropical Polar: ciclone formado sobre o mar de Weddell, Leste da
península Antártica é tipicamente um ciclone Polar, já que as propriedades
termodinâmicas do encontro do ar frio, proveniente do continente com o ar mais
aquecido da costa provocam fortes gradientes térmicos.
Meso Ciclones Extratropicais: apenas um destes ciclones é polar. Os outros ainda
mantêm características de latitudes médias.
Um meso ciclone é de tamanho pouco menor em relação a um ciclone de escala
sinóptica. Sobre o mar do Bellingshausen, à oeste da península Antártica, também
conhecido como “Cemitério das Baixas” há um ciclone em adiantada fase de
decaimento. Na ponta da península é possível observar um cordão de baixas
pressões sucessivas, em meio a nebulosidade.
Curioso…
De acordo com o cientista e ambientalista Dr. Joe Strykowski, os furacões são as
formações atmosféricas mais poderosas da natureza. Segundo ele, um furacão de
média intensidade produz energia equivalente ao consumo de eletricidade dos
Estados Unidos durante seis meses. As chuvas provocadas pelo fenômeno também
são descomunais. Já se registrou uma precipitação de 2.400 mm num período de
quatro dias durante a passagem de um furacão pela Jamaica. Para se ter uma idéia
do que esta marca significa, basta imaginar que uma piscina vazia, de qualquer
tamanho, e com 2,4 m de profundidade teria sido enchida até a boca em quatro
dias de chuva...
O tipo mais fraco de furacão, a chamada tempestade tropical, já é porém
suficientemente forte para causar graves danos, às vezes até maiores do que os
provocados pelos furacões mais intensos. A tempestade que atingiu as Filipinas
em agosto de 1995 matou 100 pessoas e deixou cerca de 60 mil desabrigados. Em
outubro daquele ano uma nova tempestade tropical atingiu o país, matando 63
pessoas e deixando outras dezenas de milhares desabrigadas. No Texas, uma
tempestade tropical com ventos de 110 km/h trouxe junto pedras de granizo do
tamanho de bolas de tênis.
Qual a diferença entre ciclones tornados???
Embora ambos sejam vórtices atmosféricos, eles têm pouco em comum.
Tornados têm diâmetros de centenas de metros e são produzidos por uma única
tempestade convectiva enquanto ciclones tropicais têm diâmetros da ordem de
centenas de quilômetros, sendo comparável a dezenas de tempestades convectivas.
Além disso, enquanto tornados requerem um forte cisalhamento vertical do vento
para sua formação, ciclones tropicais requerem valores baixos de cisalhamento
vertical para se formar e crescer.
Os tornados são fenômenos primariamente continentais e quando ocorrem sobre o
mar são chamados de trombas d'água).
Temos ainda que o ciclo de vida de um ciclone é de alguns dias e ciclo de vida de
um tornado é tipicamente alguns minutos.
Considerações Finais
Os sistemas frontais por si só são ineficientes em estabelecer o equilíbrio
térmico.
Superfícies de contato levam muito tempo para a troca de calor.
Há a necessidade de um mecanismo para acentuar essa eficiência: os Ciclones.
São os ciclones extratropicais e polares as principais entidades meteorológicas
responsáveis pelo equilíbrio térmico do planeta, misturando o ar quente subtropical com o ar frio sub-polar. Porém, toda a energia térmica do ar quente não
vai ser utilizada para esquentar o ar frio, obtendo como produto um ar
“morno”. Grande parte da energia térmica será convertida em energia cinética,
ou seja, todos os ciclones extratropicais, incluindo os polares são responsáveis
pela transformação de imensa quantidade de energia térmica (calor) em energia
cinética (forte velocidade de ventos) incluindo a intensificação do jato polar,
em altitude.
Pelas características continentais ou oceânicas que vimos anteriormente, o
Hemisfério Sul excede, em muito, o número de ocorrências de ciclones em
relação ao Hemisfério Norte, tornando a região dos 60ºS de latitude, como uma
faixa complexa de ciclones deslocando-se ao redor da Antártida.
Se estabelecermos um instante t de todo o planeta, os ciclones do Hemisfério
Sul superam o Norte em marcas de até 10 para 1.
Destaca-se, na América do Sul, a região do Norte da Argentina, Uruguai e
bacia do Prata como uma região ciclogenética (berço de ciclones) pela presença
da cordilheira dos Andes e pelo acentuado gradiente térmico do continente com
a região da bacia do Prata.