Diagrama termodinâmico atmosférico

De modo geral, o diagrama termodinâmico é uma representação visual estruturada que representa os estados termodinâmicos de uma substância (geralmente um fluido) e as consequências de suas alterações. Em Física, é comum o uso de gráficos de pressão (eixo y) em função de volume ou temperatura (eixo x).

Em Meteorologia, esse gráfico geralmente tem o eixo da temperatura rotacionado 45° para direita e o eixo da pressão é logarítimico, já que a pressão cai exponencialmente com a altura. Dessa forma, esse diagrama é conhecido como “skew T x log P”. Além disso, são inseridas outras linhas de variáveis importantes para o estudo da atmosfera, conforme pode ser visto na Figura 1 e descritas na lista a seguir.

Figura 1 - Linhas que compõem diagrama "skew-T" (adaptado de COMET).
Figura 1 – Linhas que compõem diagrama “skew-T” (adaptado de COMET).
  • Isóbaras: pressão constante;
  • Isotermas: temperatura constante;
  • Razão de mistura: razão entre massa de vapor d’água e uma unidade de massa de ar seco (a razão de mistura de saturação é a quantidade máxima de vapor d’água que pode estar no ar a qualquer nível, encontrada no diagrama onde a linha de temperatura do ar cruza com a linha de razão de mistura);
  • Adiabáticas secas: taxa de variação de temperatura numa parcela de ar seco subindo ou descendo adiabaticamente (sem troca de calor);
  • Adiabáticas úmidas: taxa de variação de temperatura em uma parcela de ar saturado subindo pseudoadiabaticamente, onde todo o vapor condensado é precipitado à medida que a parcela sobe e que o correspondente calor latente de condensação fica para a parcela, diminuindo a taxa de resfriamento quando comparada ao processo seco.

Uma das principais características desse tipo de diagrama termodinâmico é a equivalência entre área e energia. Ou seja, quando uma parcela de ar tem alteradas suas pressão e temperatura durante um processo que faz uma curva fechada no diagrama, a área encerrada por essa curva é proporcional à energia que foi absorvida ou liberada pelo ar.

Os diagramas termodinâmicos são usados para analisar o estado real da atmosfera derivado de medições de radiossondagens, normalmente obtidas com balões meteorológicos. Nele, valores de temperatura e umidade (representados através da temperatura de ponto de orvalho) são exibidos com relação à pressão. Dessa forma, é possível ter uma visão estratificada verticalmente da atmosfera – inclusive camadas de instabilidade e alturas de topo e base de nuvem.

Durante a radiossondagem, também são observados valores de vento (intensidade e direção) em cada nível. Eles são representados nas hastes de vento, à direita do diagrama, através de barbelas. Também é comum conter um hodógrafo próximo, indicando a trajetória da radiossonda horizontalmente. Um hodógrafo é uma linha que conecta as pontas dos vetores de vento (direção na componente angular e intensidade na componente radial) entre duas alturas na atmosfera, indicando também cisalhamento.

Um exemplo de diagrama com dados de radiososndagem pode ser visto na Figura 2. Veja sites de onde baixar dados e imagens de radiossondagens no post Links interessantes de Meteorologia.

Figura 2 - Dados de radiossondagem em diagrama termodinâmico skew T x log P - linhas pretas fortes indicam os dados de temperatura do ponto de orvalho (esquerda) e do ar (fonte: Laboratório MASTER - IAG/USP)
Figura 2 – Dados de radiossondagem em diagrama termodinâmico skew T x log P – linhas pretas fortes indicam os dados de temperatura do ponto de orvalho (esquerda) e do ar (fonte: Laboratório MASTER – IAG/USP)

Através do diagrama e dos perfis verticais das variáveis meteorológicas, também é possível obter alguns níveis de referência, conforme pode ser visto na Figura 3 e descritas na lista a seguir.

Figura 3 - Representação esquemática dos principais pontos a serem observados em um diagrama termodinâmico da atmosfera (adaptado de Tempo Online).
Figura 3 – Representação esquemática dos principais pontos a serem observados em um diagrama termodinâmico da atmosfera (adaptado de Tempo Online).
  • Nível de condensação convectivo (NCC): altura da base das nuvens cumuliformes, na qual uma parcela de ar (aquecida por baixo) ascende adiabaticamente até ficar saturada;
  • Nível de condensação por levantamento (NCL): forma base das nuvens, definido como a altura na qual uma parcela de ar se torna saturada quando levantada adiabaticamente;
  • Nível de condensação espontânea (NCE): altura na qual uma parcela de ar é elevada num processo adiabático seco até a saturação, tornando-se mais quente e menos densa que o meio ao redor;
  • Nível de equilíbrio (NE): nível no qual a temperatura da parcela em ascenção volta a ser igual a do meio.

Existem índices de instabilidade que podem ser calculados, como a Energia Potencial Convetiva Disponível (CAPE) e a Energia de Inibição da Convecção (CINE). Diz-se que valores de CAPE entre 1000 e 2500 J/kg são moderadamente instáveis, enquanto que entre 2500 e 4000 J/kg são acentuadamente estáveis. Quanto menor é o valor do CINE, mais difícil é a iniciação convectiva de uma parcela da superfície até o nível de condensação. Suas respectivas áreas de cálculo no diagrama estão indicadas na Figura 3 (área positiva para CAPE e negativa para CINE).

Assim, de modo geral, esses são os procedimentos para se trabalhar com perfis atmosféricos em diagramas termodinâmicos:

  1. Análise de perfis previstos de T e Td;
  2. Análise das camadas úmidas e secas;
  3. Identificação do NCL, NCE, NE, CAPE e CINE;
  4. Identificação das nuvens;
  5. Análise dos índices de instabilidade atmosférica;
  6. Elaboração da previsão de fenômenos meteorológicos.

Ao assumir a quantidade de energia devida à radiação solar, é possível prever a temperatura, umidade e vento a dois metros de altura durante o dia, o desnevolvimento da camada limite atmosférica (região da atmosfera que é diretamente afetada pelas propriedades da superfície terrestre), a formação e o desenvolvimento de nuvens e as condições para voos alçados durante o dia.

Fontes

  • Fedorova N., Pontes Da Silva B. F., Levit V. Análise e previsão prática das nuvens pelo diagrama termodinâmico SKEW-T/LOG-P
  • COMET Program – Skew-T Mastery
  • Souza, F. T., Bastos, I. R. P, Pereira, R. G., Pinto, T. A. C. Guia prático Diagrama Skew-T. Itajubá. Disponível em: <https://meteorologia.unifei.edu.br/produtos/skewt/src/Manual_Informativo.pdf>
  • da Silva, M. C. L. Apostila: diagrama termodinâmico (skew-T). Disponível em: <http://www.dca.iag.usp.br/material/fgoncalv/aca324/apostila_diagrama.pdf>
  • Tempo Online. Diagrama Termodinâmico da Atmosfera (SKEW-T LOG-P). 2020. Disponível em: <https://www.temponline.com.br/>
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