Metodevalg

As variáveis de estado presentes na CLA como a Pressão Atmosférica (p), Temperatura do Ar (T), a Massa Específica do Ar (ρ) e a Umidade Específica do Ar (q) estão relacionadas entre si através de equações de estado ou através de leis termodinâmicas, como por exemplo na equação fundamental de estado para um gás ideal:

(3.1)

onde é a constante específica dos gases.

Se a atmosfera estiver em equilíbrio hidrostático e aplicando a primeira lei da termodinâmica a uma parcela de ar, o acréscimo de energia interna na parcela (dU) é o resultado da soma de acréscimos externos à parcela (dH) com o trabalho realizado sobre a parcela (dW), ou seja:

(3.2)

Levando-se em conta que num processo a pressão _constante,

(onde é o calor específico a pressão consante) e também a

equação de equilíbrio hidrostático, tem-se que:

_(3.3)

Assim, num processo adiabático em que não há trocas de calor entre a parcela de ar e o ambiente onde está inserida esta parcela, tem-se que e que a equação 3.3 resulta em:

(3.4)

Desta forma, a temperatura decresce a uma taxa constante (na camada limite inferior da atmosfera); Este valor é conhecido como taxa adiabática, denotado por Γ, sendo aproximadamente igual á 9,8 K/km.

O efeito importante do estado adiabático da atmosfera pode ser observado se olharmos para a Equação 3.3 (com Neste caso, a integração da equação, usando a equação de estado de gás ideal, resulta em:

(3.5)

onde T0 é uma temperatura de referência correspondente a pressão p0 e onde

(constante). Esta equação define uma importante variável na CLA que é a temperatura potencial, θ. A temperatura potencial é a temperatura que uma parcela de ar (a uma pressão p e temperatura real T) teria se fosse trazida adiabaticamente até o nível do mar (a uma pressão de referência de aproximadamente 1000 mb):

(3.6)

Numa camada adiabática da atmosfera, a temperatura potencial não varia com a altura. Os gradientes de temperatura e de temperatura potencial relacionam-se por:

(3.7)

Esta aproximação é bastante razoável na CLA, onde a diferença entre θ e T costuma não ser maior que 10%. Como numa atmosfera adiabática, ∂θ/∂z = 0, o valor de ∂θ/∂z é uma boa medida do grau de afastamento da atmosfera em relação ao estado adiabático.

3.1.5. Estrutura da Camada Limite Atmosférica (CLA)

Devido à turbulência ser essencialmente tridimensional e formada por diferentes escalas existentes na CLA, torna-se relevante dividir a camada em subcamadas definidas com características e fenômenos distintos. O comportamento dessa estrutura varia durante a noite e em dias ensolarados devido à presença ou não de forças convectivas e deve ser estudado de forma individualizada. Em função da forte ligação entre o desenvolvimento da CLA diurna e a convecção, ela é comumente chamada de camada limite convectiva, CLC, e é composta por 3 subcamadas:

a) Subcamada laminar ou viscosa, SCL/SCV: consiste em uma camada de apenas alguns micrometros, onde a troca de calor latente, sensível e de poluentes ocorre via movimento molecular.

b) Camada limite superficial, CLS: consiste em uma camada de cerca de 10 % do tamanho da CLA e as suas características são relacionadas com a estrutura do vento, que é alterada pela natureza da superfície da terra e pelo gradiente horizontal de temperatura.

c) Camada de mistura, CM: consiste em uma camada de aproximadamente 3 km (podendo variar em função da hora e local) onde as tensões cisalhantes são variáveis e a estrutura de vento é forçada pela fricção, gradientes de pressão e rotação da terra.

Fora da CLA, completando o restante da região da troposfera, encontra-se uma região onde o movimento do ar se comporta praticamente como a dos fluidos não-viscosos. Esta camada é chamada de Atmosfera Livre, AL.

Um esquema da dinâmica da CLC é mostrado na Figura 3.4, onde a convecção começa com pequenas termais que se juntam às maiores, transportando calor e energia até o limite da CLA com a região da AL. O processo de recirculação também é mostrado, onde o ar da camada de inversão penetra no interior da CLC através de um processo do tipo sumidouro. Na maioria dos casos estes sumidouros só causam distorção no topo da CLC, fazendo com ele pareça muito convulso. Vórtices tipo rolo horizontal e tempestades de areia podem aparecer quando as condições lhe são favoráveis, aumentando as formas disponíveis para a mistura convectiva na CLC. Vale ressaltar que isto acontece na CLA diurna, diferenciando da CLA noturna.

Figura 3.4 - Esquematização da Circulação na CLC

e a Recirculação de Ar pela Camada de Inversão. Fonte: Wyngaard (1992).

Ao anoitecer ou próximo do por do sol, a camada de inversão enfraquece e se torna desigual com uma ou mais camadas de inversão a partir da base. Neste momento, há um colapso rápido dos movimentos turbulentos na CLA como as plumas flutuantes que conservam sua fraca fonte de energia perto da superfície, onde o solo é esfriando rapidamente através da perda de energia radiativa para o espaço.

O ar imediatamente acima da superfície resfria-se e mistura-se progressivamente de baixo para cima pela ação da turbulência gerada pelo cisalhamento do vento. A inversão que começa a se formar na superfície cresce sem parar até uma altura de 100 a 200m próximo da meia noite (em latitudes médias). A Figura 3.5 mostra o escoamento na CLA durante a noite, que é caracterizada por um forte cisalhamento do vento, pequenos turbilhões e ocasional atividade de ondas. Ela é muito diferente da CLC porque se tratar de uma camada com forte estabilidade. Por isso a camada limite noturna (CLN) é também chamada de camada limite estável (CLE). Nela também existe CLS que também representa cerca de 10% da sua espessura, mas se difere em relação à CLC devido a sua estabilidade.

Figura 3.5 - Esquematização do Escoamento na CLN

Mostrando a Estrutura dos Vórtices, Ondas e a Zona de Inversão Elevada. Fonte: Wyngaard (1992).

Uma outra denominação das estruturas contidas na CLA, mas com os mesmos fenômenos envolvidos, é a estrutura definida por Brutsaert, (1982), mostrada na Figura 3.6. Aqui, a região interna da CLS (Região Interna) é a que recebe a influência direta da superfície da terra, sendo bastante intensificada na Camada Superficial. Uma outra similaridade é com a camada de mistura (CM) onde o autor a denomina de Camada Ekman, possuindo as mesmas características da CM, descrita anteriormente.

Figura 3.6 - Estrutura da Camada Limite Atmosfera segundo Brutsaert (1982).

Uma outra definição de espessura da CLA é apresentada por Boçon (1998), que limita a CLA a uma altura Zi da base da camada de inversão.