Os vórtices de Von Kármán, também conhecidos como ruas de vórtices de Kármán, são um padrão repetitivo de vórtices giratórios causados por um processo conhecido como desprendimento de vórtices, que é responsável pela separação instável do fluxo de um fluido em torno de corpos rombudos. Este fenômeno foi nomeado em homenagem ao engenheiro e físico húngaro Theodore von Kármán (1881-1963).
Von Kármán realizou uma experiência que consistiu em colocar um objeto cilíndrico ao longo de um determinado escoamento, onde se tornou possível verificar o desenvolvimento de vórtices. Von Kármán verificou na atmosfera o mesmo efeito obtido na sua experiência, quer em nuvens, quer sob as asas de um avião ou a sotavento de uma bandeira hasteada.
Um fenômeno interessante ocorre quando o fluxo de ar atmosférico passa por obstáculos como ilhas ou montanhas isoladas, o que às vezes dá origem a ruas de vórtices de Von Kárman. Quando uma camada de nuvens está presente na altitude relevante, as ruas se tornam visíveis. Essas ruas de vórtices de camadas de nuvens já foram fotografadas a partir de satélites.
As estruturas de nuvens associadas a esses vórtices são frequentemente observadas acima do mar quando a temperatura do ar frio aumenta gradualmente. Isso leva a um vento constante e forte, que sopra no nível inferior. Se o vento encontra uma barreira significativa na direção do vento (normalmente uma ilha montanhosa cujo cume se eleva alguns metros mais alto do que a altura do topo das nuvens da camada de nuvens circundante), pode se formar uma rua de turbulências.
De acordo com José Miguel Viñas, em “Conocer la Meteorología – Diccionario Illustrado del Tiempo y El Clima”, “a ruptura de um fluxo de ar contínuo (regime de ventos dominante numa determinada direção) gera diferenças de pressão a sotavento que dão origem a um fluxo turbulento, de tal forma que os vórtices ciclónicos e anticiclónicos se dispõem alternadamente num padrão repetitivo. A configuração em cada caso, bem como a formação ou não do padrão, depende principalmente da intensidade do vento e das mudanças na direção do vento”.
Além disso, o crescimento dos vórtices está relacionado à ressonância: fenômeno físico que ocorre quando uma força é aplicada sobre um sistema com frequência igual ou muito próxima da frequência fundamental desse sistema.
Os vórtices de Von Kármán podem ser modelados matematicamente usando várias técnicas, incluindo a resolução das equações completas de Navier-Stokes com modelos de turbulência k-epsilon, SST, k-omega e tensão de Reynolds, e simulação de grandes vórtices (LES).
Na imagem acima, observam-se nuvens do tipo estratocúmulos sobre o Atlântico, arrastadas pelo vento de nordeste em direção à zona norte da Ilha da Madeira, onde o céu se apresentava muito nublado, e Ilhas Canárias. Por causa do efeito Foehn, a zona sul da ilha não apresentava nebulosidade. Isso porque a ilha da Madeira apresenta-se como um obstáculo ao movimento do fluido atmosférico, o qual é forçado a diminuir de velocidade ao encontrar o obstáculo. O fluido acelera dos lados e por cima para contorná-lo, formando uma esteira de vórtices de Von Karmen a jusante (sudoeste da ilha).
As Ilhas Canárias também são capazes de originar este fenômeno que, nesta região, é menos percetível devido à disposição das ilhas e à existência de menos nebulosidade devido a atmosfera estar mais seca nas camadas baixas. Esta situação é frequente quando o anticiclone intensifica o seu domínio sobre o Atlântico, deixando a Madeira numa circulação bem definida de nordeste.
Fontes
- Wikipedia – Kármán vortex street
- Meteored – Vórtices de Von Kármán: que intrigante fenómeno atmosférico é este?
- Cloud Structures – ‘Karman Vortex’ Structure – Description
- NASA Earth Observatory – Two Views of Von Kármán Vortices
- Phys – Bizarre cloud patterns: Kármán’s vortices caused by air wrapping
- David R. Lewis, Timour Radko; On the structure and patterns of von Kármán vortices in two-dimensional high Reynolds number flows. Physics of Fluids 1 November 2020; 32 (11): 116601. https://doi.org/10.1063/5.0022537
