Tempestade

Tempestade – O que é

Uma tempestade é qualquer perturbação na atmosfera que tenha efeitos perceptíveis na superfície da Terra. O termo sugere condições climáticas desagradáveis que podem trazer desconforto, inconveniência, desastre econômico e perda de vidas humanas.

Apesar disso, as tempestades têm um efeito geralmente positivo no meio ambiente e nas sociedades humanas porque são a fonte da maior parte da chuva e da neve de que o planeta depende.

Entre os muitos tipos de tempestades que existem estão trovoadas, furacões, tornados, nevascas e tempestades de gelo e granizo. Por mais diferentes que esses tipos de tempestades possam ser, eles possuem algumas características comuns.

Todos eles resultam de instabilidades atmosféricas significativas e todos envolvem correntes de convecção dramáticas nas quais as massas de ar viajam para cima em altas taxas de velocidade.

A formação de uma tempestade é típica da forma como muitas tempestades se desenvolvem. Imagine que uma grande massa de ar encontra condições que a forçam a se mover para cima.

Uma frente de aproximação ou algum tipo de barreira geográfica pode produzir tal efeito. A massa de ar continuará a subir enquanto estiver mais quente do que a atmosfera ao seu redor.

O movimento ascendente de tal massa de ar constitui uma corrente de convecção.

Em algum momento, a umidade dentro da massa de ar pode começar a condensar, liberando calor ao fazê-lo. Quando isso acontece, a corrente de convecção pode começar a se mover ainda mais rapidamente.

O movimento ascendente do ar em uma nuvem de trovão foi medido a mais de 50 mph (80 km/h). À medida que o movimento ascendente do ar continua, mais umidade se condensa da massa de ar e uma grande nuvem começa a se formar. Dependendo das condições atmosféricas, uma nuvem de trovoada desse tipo pode atingir uma altura de 10 a 15 km. Eventualmente, os cristais de gelo dentro da nuvem de trovoada começarão a se condensar como chuva, neve ou alguma outra forma de precipitação e ocorrerá uma tempestade.

Alguns dos tipos mais severos de tempestades (tornados e furacões, por exemplo) ocorrem quando a corrente de convenção ascendente recebe um impulso rotacional.

Esse empurrão converte um movimento aéreo puramente vertical em um movimento espiralado característico dessas grandes tempestades tropicais e de latitudes médias.

Tempestade – Tipos

Tempestade

Tempestades são caracterizadas por relâmpagos e trovões. Elas são produzidas por uma ou mais nuvens cumulonimbus (Cb), também conhecidas como nuvens de tempestade.

Uma típica nuvem de tempestade tem um diâmetro de 10-20 km, alcança altitudes de 10-20 km, dura em média 30-90 minutos e move-se com uma velocidade de 40-50 km/h.

Normalmente elas podem ser identificadas por seu largo e brilhante topo esbranquiçado, que projeta-se na direção dos ventos formando uma saliência denominada anvil. Cerca de 2000 tempestades estão sempre ocorrendo, o que significa que 16 milhões ocorrem anualmente em nosso planeta. A freqüência de tempestades em um dado local depende de vários fatores, entre eles a topografia, a latitude, a proximidade de massas de água e a continentalidade.

Uma pequena percentagem das tempestades que ocorrem todo ano são consideradas tempestades severas, isto é, produzem ao menos uma das seguintes características: granizo com diâmetro igual ou maior que 2 cm, ventos de ao menos 90 km/h ou tornados. Um tornado é uma coluna de ar girando violentamente que se estende da base da nuvem até o solo.

Tempestades severas também costumam produzir ventos de alta intensidade conhecidos como rajadas e microrajadas, que são rajadas de curta duração e que afetam regiões menores que 4 km de extensão.

Nuvens de tempestade são formadas sempre que existir bastante movimento vertical, instabilidade vertical e umidade, de modo a produzir uma nuvem que alcance altitudes com temperaturas abaixo do nível de congelamento. Estas condições são mais frequentemente encontradas no verão e durante a tarde e início da noite, mas podem ser encontradas em todas as estações e em todas as horas do dia. O movimento vertical pode ser causado por um gradiente no perfil de temperatura ou por processos de levantamento, tais como as brisas ao longo das costas, frentes frias ou quentes, áreas de baixa pressão com convergência horizontal de ventos e montanhas. No primeiro caso, o ar mais quente (mais leve) próximo a superfície da terra tende a deslocar-se para cima trocando de posição com o ar mais frio (mais pesado) nos níveis mais altos, que tende a deslocar-se para baixo.

Tempestade

Tempestades formadas por este processo são geralmente chamadas tempestades associadas a massas de ar. Elas tendem a ser menos severas do que os outros tipos de tempestades, embora sejam ainda capazes de produzir rajadas. No processo de levantamento, o ar próximo a superfície da terra é empurrado para cima por outra massa de ar ou ao se chocar com uma montanha.

Algumas vezes mais de um processo de levantamento pode ocorrer simultaneamente.

Nuvem de tempestade com uma única célula no estágio maduro, apresentando dois centros de cargas elétricas.

Nuvem de tempestade com uma única célula no estágio dissipativo. Em geral, somente cargas positivas permanecem dentro da nuvem neste estágio.

Após a nuvem de tempestade com uma única célula se dissipar, o anvil permanece na forma de nuvens cirrostratus e altostratus.

Aglomerados de tempestades são um fenômeno muito comum. Eles são também chamados de sistemas convectivos de mesoescala.

Alguns tipos particulares destes sistemas são as linhas de instabilidade e os complexos convectivos de mesoescala. Linhas de instabilidade são sistemas de nuvens de tempestade arranjadas segundo uma linha.

Diferentemente de uma linha de nuvens de tempestade individuais, as nuvens de tempestade em uma linha de instabilidade interagem entre si, sendo conectadas por uma região estratiforme semelhante a um largo anvil.

Linhas de instabilidade por se estender por várias centenas de quilômetros, normalmente produzem ventos muito fortes e algumas vezes fracos tornados. Linhas de instabilidade são, geralmente, formadas perto da interface entre uma massa de ar úmida e quente e uma massa de ar fria. Complexos convectivos de mesoescala são os maiores membros dos sistemas convectivos de mesoescala.

Eles são aglomerados de tempestade quase circulares com típicas dimensões de 300 km ou mais e duração média de 15 horas, muito embora em certas ocasiões possam durar por vários dias.

Uma nuvem de tempestade composta por uma única célula tem um ciclo de vida que consiste de três estágios: desenvolvimento ou cúmulos, maduro e dissipativo. No estágio de desenvolvimento, as correntes de ar ascendentes predominam dentro da célula. Em geral pouca chuva e poucos ou mesmo nenhum relâmpago ocorrem. No estágio maduro, ambos movimentos de ar ascendentes e descendentes ocorrem.

O anvil é em geral um aspecto proeminente, formado basicamente por cristais de gelo. É neste estágio que a maioria da chuva, relâmpagos, granizo, ventos fortes e tornados ocorrem.

A chuva e o granizo em precipitação arrastam o ar consigo para baixo, intensificando as correntes de ar descendentes e produzindo frentes de rajadas, a medida que o ar espalha-se ao alcançar o solo. Finalmente, no estágio dissipativo, o movimento do ar é predominantemente descendente e a intensidade da chuva e da atividade de relâmpagos diminui, embora permaneça significante. A nuvem gradualmente se dissipa.

Os ventos nos níveis superiores espalham os cristais de gelo, de modo que o anvil é a última parte que resta da nuvem, tomando uma forma semelhante a nuvens cirrostratus e altostratus. Cada estágio dura em média de 10 a 30 minutos.

Em setembro de 1752, Benjamin Franklin realizou um experimento para examinar a natureza elétrica das tempestades. Ele colocou uma haste metálica em cima da sua casa, conectada a um longo fio aterrado.

Ele cortou o fio e separou suas extremidades por cerca de 15 cm colocando um sino preso a cada uma delas.

Uma esfera metálica isolada foi suspensa entre os sinos, movendo-se entre eles e batendo neles quando uma nuvem de tempestade passava próximo.

Comparando a carga no fio com uma carga conhecida, Franklin determinou que a base da nuvem de tempestade era carregada negativamente. A estrutura básica de uma nuvem de tempestade, entretanto, só foi proposta no começo do século 20. Ela pode ser descrita como um dipolo elétrico positivo, composto por uma região carregada positivamente acima de uma região carregada negativamente.

Uma região de cargas positivas mais fraca pode também existir perto da base da nuvem. O centro positivo superior ocupa a metade superior do volume da nuvem, enquanto que o centro negativo está localizado no meio da nuvem, em uma altura onde a temperatura é em torno de  10 a 0 graus Celsius.

A carga nestes centros pode variar consideravelmente com a geografia e de nuvem para nuvem, com valores entre uma dezena a algumas centenas de Coulombs.

Carga negativa também esta presente em uma fina camada envolvendo a parte superior da nuvem de tempestade, incluindo o anvil, denominada camada de blindagem.

Esta carga é produzida pelo aprisionamento de ions negativos, gerados por raios cósmicos na atmosfera, às partículas da nuvem na sua região superior.

Não se conhece exatamente como as nuvens de tempestade tornam-se carregadas. A teoria mais aceita para explicar a produção de cargas requerida para eletrificar uma nuvem de tempestade assume que as partículas carregadas são produzidas por colisões de diferentes partículas de gelo no interior da nuvem.

Os detalhes do processo de colisão não são muito bem conhecidos mas, em termos gerais, dois tipos de processos tem sido considerados: processos indutivos e não-indutivos.

O processo indutivo considera que o campo elétrico tem um papel preponderante sobre a formação das cargas, enquanto que o processo não-indutivo considera que outros parâmetros são preponderantes, tais como temperatura, potencial de contato, tamanho das partículas ou conteúdo de água. É provável que mais de um parâmetro sejam relevantes e, também, que diferentes parâmetros devam ser considerados em diferentes casos. Após as partículas carregadas serem formadas, elas são separadas pelo efeito de correntes de ar ascendentes e descendentes e pela ação gravitacional.

Nuvens de Tempestade

Cumulonimbus, ou nuvem de tempestade, é uma nuvem convectiva que produz chuva e relâmpagos. Geralmente produz granizos, fortes frentes de rajada, tornados, e precipitação severa.

Muitas regiões da Terra dependem quase totalmente das nuvens cumulonimbus para precipitação. Elas também apresentam um papel importante no ciclo energético e na circulação global da atmosfera pelo seu eficiente transporte de umidade e calor sensível e latente nas porções superiores da troposfera e inferiores da estratosfera.

Elas também afetam o saldo radiativo da troposfera. Além disso, influenciam a qualidade do ar e a química de precipitação.

Como definido por Byers & Braham (1949) e Browing (1977), a unidade básica de um Cumulonimbus é a célula. Normalmente vista no radar como um volume de intensa precipitação ou máximo de refletividade, a célula também pode ser descrita como a região de correntes ascendentes relativamente fortes.

Os Cumulonimbus comuns em tempestades se destacam pelo ciclo de vida bem definido que duram de 45 min à 1 hora. Byers & Braham (1949) identificaram três estágios de evolução: a fase Cumulus, a fase madura e a fase de dissipação.

Durante a fase Cumulus, ou fase inicial, as correntes ascendentes caracterizam o sistema. Composto de uma ou mais nuvens do tipo congestus (towering cumulus), podem vir a se fundir umas com as outras ou se expandir em um sistema maior. São alimentadas por convergência de vapor na camada limite numa região onde ar quente e úmido convergem em superfície.

Apesar de prevalecerem as correntes ascendentes, correntes descendentes próximas ao topo e à base frontal da nuvem podem ocorrer.

Figura 1: Estágio Cumulus

A fusão de vários elementos num sistema convectivo caracteriza a transição para o estágio maduro.

O processo de fusão está associado com o encontro de correntes descendentes induzidas por frentes de rajadas da adjacência das nuvens. Além do mais, o começo da precipitação na camada inferior da nuvem também é característica da transição dos estágios. A precipitação ocorre uma vez que a nuvem passa além do nível de congelamento. Após um certo período, a acumulação de precipitação na nuvem é muito grande para a corrente de ar ascendente suportar.

Figura 2: Estágio maduro

A precipitação caindo causa um arrastamento no ar, iniciando uma corrente de ar descendente. A criação da corrente de ar descendente é ajudada pelo influxo do ar frio e seco rodeando a nuvem, um processo chamado entranhamento. Este processo intensifica a corrente de ar descendente, porque o ar acumulado é frio e seco e sendo assim, mais pesado.

Até o encontro com a superfície, as correntes descendentes se espalham horizontalmente onde podem erguer o ar quente e úmido para junto do sistema. Na interface entre a corrente descendente fria e densa, e o ar quente e úmido forma-se a frente de rajada. Os ventos em superfície da frente de rajada são ameaçadores, e mudam rapidamente de direção e velocidade.

O ar quente e úmido erguido pela frente de rajada fornece o combustível para a manutenção das correntes ascendentes. Até o encontro com a estabilidade da tropopausa, as correntes ascendentes se espalham lateralmente emitindo cristais de gelo e outras partículas horizontalmente formando a bigorna.

Em alguns casos essa corrente é tão forte que penetra a estratosfera criando um domo de nuvem (overshottings).

As correntes ascendentes frequentemente formam uma fina camada de nuvem acima da nuvem, chamada pileus. A presença de pileus é uma evidencia de fortes correntes ascendentes.

Precipitação muito intensa e localizada também é característica deste estagio.

O abaixamento da pressão nos níveis médios como resultado do aquecimento pela liberação de calor latente e o fluxo de ar divergente resulta numa força de gradiente de pressão direcionada para cima que ajuda a sugar ar quente e úmido erguido pela frente de rajada até a altura do nível de convecção livre.

Então a tempestade se torna uma máquina eficiente onde o aquecimento no alto e o resfriamento nos baixos níveis sustentam o vigor do ciclo convectivo.

A velocidade de propagação da frente de rajada aumenta à medida que a profundidade do fluxo de ar de saída aumenta e a temperatura do mesmo diminui.

O sistema ótimo é aquele em que a velocidade da frente de rajada é próxima à velocidade da tempestade em si.

Estágio de dissipação

Uma vez que a frente de rajada se distancia do sistema, o ar erguido não entra mais na corrente ascendente, deixando de alimentar o sistema, formando apenas Cumulus de tempo bom adiante.

Este é o começo do estágio de dissipação, que é caracterizado por correntes descendentes nas porções inferiores.

As correntes ascendentes enfraquecem mas podem continuar existindo principalmente na metade superior da nuvem. Há entranhamento lateral e turbulência, a intensidade da chuva diminui, remanescendo chuva leve de caráter estratiforme.

Tempestades segundo suas classificações

Segundo McNulty (1995), o National Weather Service (NWS) dos Estados Unidos define tempestade severa como aquelas que têm ocorrência de tornados, ventos acima de 26 m/s (50kt) ou mais, danos associados à rajadas e/ou granizos de 1,9 cm de diâmetro ou mais.

Existem muitas tentativas de classificar tempestades, Browning (1977) usa o termo ordinárias (simples) para se referir à tempestades que não completam o ciclo de três estágios no período de 45-60 min e que o estágio maduro dura apenas 15-30 min. Fazendo assim, distinção deste tipo com um tipo mais vigoroso de convecção normalmente chamado Supercélula.

Supercélulas

Tempestades em forma de Supercélulas, segundo Weisman & Klemp (1986) são o tipo de tempestade potencialmente mais destruidor dentre todos.

Supercélulas podem produzir fortíssimos ventos, downbursts, microbursts, e tornados de longa duração.

As correntes ascendentes e descendentes coexistem em um estado quase estável por períodos de 30 min ou mais.

Esquema de uma Supercélula

Este tipo de tempestade está associada com um forte giro do vetor cisalhamento do vento com a altura nos primeiros 4km acima da superfície e pode originar-se com o redesenvolvimento de células ordinárias (simples) iniciais. Ao observar uma Supercélula pelo radar pode-se perceber uma região vazia, chamada bounded weak-echo region ou (BWER), onde as correntes ascendentes são tão fortes que não há tempo suficiente de formar precipitação detectável no radar.

A maioria das tempestades severas são supercélulas. Destacam-se pela sua persistência, 2 à 6 horas, em um sistema de uma única célula. As correntes ascendentes podem exceder 40m/s, capazes de sustentar pedras de gelo do tamanho de um grapefruit.

Corte vertical de uma Supercélula

Multicélulas

Um outro tipo de tempestade severa é a chamada Multicélula, tipicamente composta de duas à quatro células que podem encontrar-se em diferentes estágios de evolução.

Alguns estudos se referem aos cumulus congestus periféricos como nuvem-alimento, pois se deslocam em direção ao sistema de tempestade e se fundem com a célula mãe.

Outros, como Browning (1977), se referem à esta linha de cumulus como células filhas, sendo que essas novas células não se fundem com as células mães, mas crescem rapidamente para serem o novo centro da tempestade. As células novas se formam tipicamente em intervalos de 5-10 min e apresentam tempo de vida característicos de 20-30 min.

Também apresentam regiões fraco sinal detectável pelo radar (weak-echo region – WER), porém não são tão bem delimitadas como as BWERs das Supercélulas.

A maioria das precipitações de granizo são geradas em tempestades de várias células, cada uma com um ciclo de vida de 45 à 60 min. O sistema de tempestade, pode ter tempo de vida de várias horas.

Sistemas multicélulas, onde as correntes ascendentes atingem 25 à 35 m/s, produzem pedras de gelo do tamanho de uma bola de golfe.

Elas ocorrem onde há instabilidade atmosférica e onde há intenso cisalhamento vertical.

Esquema de uma Multicélula

Há divergências quanto ao critério de distinção entre Supercélulas e Multicélulas. Pode-se levar em consideração a aparência visual das células filhas, ou alegar que a Supercélula é nada mais que uma Multicélula onde as células filhas estão agregadas à nuvem, ou mesmo que Multicélulas podem se desenvolver em Supercélulas. Além do mais, existe uma continua faixa de tipos de tempestades, que vai desde às multicélulas menos organizadas, ás mais organizadas, e às Supercélulas mais firmes. Vasiloff et al. (1986) propõe uma relação onde a distancia L entre células com corrente ascendente deve ser muito menor que o diâmetro da corrente D para ser classificada como Supercélula. Já Weisman & Klemp (1984) propõem uma classificação baseada na pressão de baixos níveis, nos gradientes verticais de pressão que intensificam as correntes ascendentes, grau de correlação entre a corrente ascendente e a vorticidade vertical, e características de propagação. Eles também afirmam que forte cisalhamento nos primeiros 6 km ou uma certa faixa do numero de Richardson, que relaciona o empuxo com a diferença entre o vento dos baixos e médios níveis, é uma condição necessária para a formação de uma supercélula.

Raios e Relâmpagos

Como em qualquer descarga elétrica, os Raios são resultado do desenvolvimento de intensos centros de cargas na nuvem, que eventualmente alcançam excedem a capacidade de isolamento elétrico do ar, resultando na dissipação dos centros de carga.

Até o presente momento existem duas correntes que tentam explicar a distribuição de cargas em tempestades: Hipótese de carregamento por convecção e Carregamento por processos de precipitação.Ambas hipóteses baseiam-se em um modelo simples de dipolo, aonde existem regiões distintas de carga positiva e negativa em uma nuvem.

Gelo

Tempestades de granizo geralmente ocorrem em ambientes com instabilidade convectiva. Nestes ambientes as tempestades desenvolvem significante empuxo positivo, as correntes ascendentes são capazes de suspender pedras de gelo caindo à velocidades de 15 25m/s. As tempestades de granizo se desenvolvem na presença de forte cisalhamento, favorecendo a formação de Supercélulas.

A altura do nível de derretimento é importante para determinar o tamanho dos granizos que chegarão à superfície. Observações indicam que a frequência de granizo é maior em latitudes mais altas.

O crescimento de gelo se dá inicialmente pela coleção de gotículas super-resfriadas e gotas de chuva. Em temperaturas mais frias que 0ºC muitas gotículas não congelam e podem permanecer liquidas a temperaturas mais frias que -40ºC. Dessas gotículas algumas congelam, possivelmente pela aglutinação com um aerossol que serve de núcleo de congelamento. Se as gotículas congeladas são pequenas, ela crescerá primeiro por deposição de vapor, formando flocos de neve.

Após algum tempo (5-10 min), os cristais de gelo se tornam grandes o suficiente para fixar pequenas gotículas, que congelam imediatamente após o impacto com a partícula de gelo.

Se existirem gotículas suficientes ou o conteúdo de água liquida da nuvem for alto, as partículas de gelo podem coletar gotículas suficientes tal que a forma original do cristal crescido por deposição de vapor se perde, gerando uma partícula de graupel de vários milímetros de diâmetro. A densidade inicial do graupel é baixa, pois as gotículas congeladas na superfície do cristal de gelo são fracamente compactadas.

À medida que o graupel cresce, ele cai mais rápido, varrendo uma secção maior, aumentando o crescimento por coleção de gotículas super-resfriadas, que podem não mais congelar com o impacto, preenchendo os vão entre as gotículas que congelaram.

O tamanho final da pedra de gelo é determinado pela quantidade de água super-resfriada na nuvem e pelo tempo em que a pedra de gelo pode permanecer na região de alto conteúdo de água liquida da nuvem, que depende da corrente ascendente e da velocidade e queda da pedra de gelo. Se a corrente ascendente é forte (35-40 m/s) e a velocidade de queda da partícula é baixa (1-2 m/s), a partícula é rapidamente transportada para a bigorna da nuvem antes de aproveitar do conteúdo de água liquida da região.

A circunstancia ideal para o crescimento de gelo é aquela em que a partícula atinge um certo tamanho de forma que a sua velocidade de queda é suficiente para equilibrar com a corrente ascendente, podendo então coletar gotículas de nuvem numa taxa alta. As maiores pedras de gelo que atingem a superfície são aquelas que penetram em uma forte corrente descendente, permanecendo pouco tempo abaixo do nível de 0ºC, causando menor derretimento.

Fonte: www.atmosphere.mpg.de/www.encyclopedia.com/earaios.vilabol.uol.com.br/www.master.iag.usp.br(Maria Eugênia Baruzzi Frediani)