Quando uma massa de ar quente se desloca em direção a uma massa de ar frio que está parada sobre uma região ocorre uma?

Você provavelmente já deve ter visto durante a previsão meteorológica apresentada nos noticiários frases do tipo: “uma frente fria vinda do Ártico deve avançar sobre o continente e provocar quedas nas temperaturas”, ou talvez: “uma massa de ar úmido se desloca e pode provocar fortes chuvas em toda a área pintada no mapa”.

Mas você já se perguntou o que são as frentes de ar? As frentes de ar são um dos principais fatores que alteram o clima de um determinado continente ou região. São elas as responsáveis por você perder um final de semana no clube ou na praia graças àquelas chuvas inesperadas...

Por definição, frentes de ar configuram um fenômeno climático resultante do encontro entre duas massas de ar. Geralmente, essas duas massas de ar possuem características e locais distintos. Costuma acontecer da seguinte forma: uma massa de ar quente advinda da zona intertropical (entre o Equador e os trópicos) encontra-se com uma massa de ar fria proveniente dos polos. Esse encontro entre essas distintas massas de ar forma diversas frentes, cujas características vão depender do tipo de massa que prevalecerá nesse encontro, podendo surgir, assim, as frentes frias e as frentes quentes.

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Quando uma massa de ar quente prevalece e faz com que uma massa de ar frio recue, formam-se as frentes quentes, que geralmente possuem elevadas temperaturas e bastante umidade. Quando a massa de ar frio é que provoca o recuo de uma massa de ar quente, formam-se então as frentes frias, provocando rápidas quedas de temperatura, com chuvas e trovoadas que podem ser bem rápidas, dependendo da velocidade com que a frente fria se desloca.

Portanto, percebe-se que as características das temperaturas e do clima de uma dada região podem ser determinadas pelo resultado dessas “brigas de massas de ar”, que formam as frentes frias ou quentes.

DIN�MICA PLANET�RIA DE TEMPO E CLIMA

As varia��es no tempo s�o determinadas basicamente pelos movimentos do ar. Mesmo o clima de uma regi�o � o resultado da persist�ncia de certos tipos de circula��es nesse local. O estudo das circula��es atmosf�ricas � feito atrav�s do uso das �leis� da termodin�mica e da mec�nica cl�ssica desenvolvidas desde a �poca de Newton (s�culo XVII). Entretanto a aplica��o dessas leis n�o � t�o simples como no caso do estudo do movimento de pontos ou corpos s�lidos. Afinal, a atmosfera � um g�s e n�o um ponto material, podendo sofrer varia��es de massa e de volume. Al�m disso, a terra � uma esfera girante, portanto um sistema �n�o-inercial�, onde aparecem "for�as fict�cias� (for�a de Coriolis, por exemplo), tornando mais dif�cil o tratamento do problema com a Mec�nica Newtoniana.

As escalas de movimento atmosf�rico

Na atmosfera encontramos diversos tipos de aeross�is e gases que absorvem e emitem radia��o em diferentes formas. A absor��o ou emiss�o  de radia��o � tamb�m diferente para as diferentes superf�cies da Terra (solo n�, oceanos ou vegeta��o) ou posi��o geogr�fica e �poca do ano. O vapor d��gua, com suas mudan�as de fase e conseq�ente libera��o de calor latente, faz com que se tenham fontes e sorvedouros de energia que precisam ser considerados quando se estuda os movimentos do ar. As montanhas tamb�m influenciam bastante os escoamentos atmosf�ricos.

Percebe-se ent�o que o problema da circula��o atmosf�rica envolvem muitos fatores, que nem sempre s�o simples de serem trabalhados. Como forma de simplificar essa quantidade enorme de fatores no estudo das circula��es atmosf�ricas, costuma-se categorizar os diversos sistemas de circula��o de acordo com o seu �tamanho�. Na atmosfera podemos praticamente encontrar circula��es de qualquer tamanho, desde o microsc�pio movimento molecular at� oscila��es com escalas da ordem do per�metro da Terra. Todos esses diferentes tamanhos, ou escalas de movimento, s�o interdependentes. Assim, por exemplo, a turbul�ncia produzida por uma montanha pode n�o ocorrer, a menos que exista um vento produzido por uma circula��o maior que a pr�pria montanha. Antes de entrarmos em detalhes sobre as causas dos movimentos atmosf�ricos daremos uma id�ia sobre essas escalas de movimentos atmosf�ricos:

• Microescala: � a menor escala que tem import�ncia meteorol�gica. Os fen�menos que acontecem nessa escala tem dimens�es da ordem de 1 metro a 1 km, e dura��o da ordem de 1 segundo at� cerca de 1 hora. Nessa escala s�o enquadrados: processos de forma��o das gotas de chuva, dispers�o de poluentes e intera��o no sistema solo-plantas e atmosfera.
• Mesoescala: Os fen�menos nessa escala tem dimens�es da ordem de 1km at� cerca de 100 km.  A dura��o caracter�stica � da ordem de 1 hora a 1 dia. Nessa categoria s�o enquadrados os fen�menos: tornados, linhas de instabilidade,  tempestades isoladas, conjuntos ou sistemas de nuvens, ilhas de calor e brisas.
• Macroescala: Os fen�menos dessa escala s�o os que mais afetam o dia-a-dia. Esses sistemas tem dimens�es da ordem de algumas centenas de quil�metros e dura��o da ordem de um dia a meses. Nela se enquadram: furac�es, frentes frias, ciclones e anticiclones e as �ondas de oeste�. Esses fen�menos tem tamb�m um importante papel na determina��o das caracter�sticas clim�ticas e sazonais nas diversas regi�es do globo.

O ar em movimento

A primeira causa para os movimentos do ar (vento) � praticamente a energia solar, num processo de convers�o de energia t�rmica em energia cin�tica. Inclusive, muitas vezes a atmosfera � estudada como sendo uma �m�quina t�rmica�, como uma caldeira, que transforma energia em trabalho. Na verdade, o aquecimento da atmosfera pela energia solar � feito principalmente de maneira indireta, ou seja,  a superf�cie da Terra absorve a energia solar, se aquece, transportado para as regi�es mais altas da atmosfera pelo movimento vertical do ar (convec��o) ou para outras regi�es atrav�s de transportes verticais (advec��o). S�o, principalmente, as diferen�as de absor��o da energia solar nas v�rias regi�es da Terra que determinam o movimento do ar. Essas diferen�as podem ser provocadas, por exemplo, pelas diferen�as de latitude, inclina��o do terreno ou diferentes capacidades t�rmicas do solo.

Quando se estuda o vento em meteorologia costuma-se dividi-lo em suas componentes horizontais (nas dire��es leste/oeste e norte/sul), e vertical (movimento ascendente e descendente). Embora a componente horizontal do vento ser consideravelmente mais forte que a componente vertical, esta �ltima � respons�vel pela forma��o de nuvens e da precipita��o.

De acordo com a �Primeira Lei de Newton�, para um corpo (parcela de ar) mudar seu estado de movimento, deve existir um imbalan�o entre as for�as que atuam sobre esse corpo. Existem basicamente duas classes de for�as que afetam a atmosfera: 1- aquelas que existem independente do estado de movimento do ar; e 2- aquelas que aparecem somente ap�s existir movimento. Na primeira categoria est�o aquelas provocadas por �campos�, como por exemplo a �for�a gravitacional�  e a �for�a do campo de press�o�. Na segunda aparecem como uma rea��o ao movimento, como por exemplo: a �for�a de fric��o� e a �for�a de Coriolis�.

As for�as que atuam na atmosfera

De todas as for�as que atuam na atmosfera, certamente a For�a da Gravidade � a mais familiar. A for�a da gravidade, que faz com que todos os corpos sobre a Terra sejam atra�dos pra o centro dela, modifica somente a componente vertical do vento. Sua intensidade, de acordo com a �Segunda Lei de Newton�, � proporcional � massa da parcela de ar, sendo que a constante de proporcionalidade � a acelera��o da gravidade (g). O sentido dessa for�a � sempre de cima para baixo.

O segundo tipo de for�a � a For�a do Gradiente de Press�o, surge devido �s varia��es espaciais (o que chamamos de gradiente) no campo da press�o. O conceito de press�o atmosf�rica vem da teoria cin�tica dos gases, e pode ser definida como sendo a for�a exercida pela colis�o das mol�culas do ar, em movimentos aleat�rios, sobre uma superf�cie qualquer. No caso da atmosfera a press�o � definida como o peso da coluna de ar sobre unidade de �rea. A for�a gravitacional faz com que as mol�culas de ar se comprimam nos n�veis mais pr�ximos � superf�cie. A diminui��o gradativa da massa do ar quando se vai para os n�veis mais altos faz com que o peso, ou seja a press�o, diminua com a altura. A taxa de varia��o vertical da press�o, isto �, o gradiente vertical da press�o � bem maior que os gradientes horizontais normalmente observados. Entretanto, s�o esses pequenos gradientes horizontais uma das principais causas (ou for�a) que provoca o movimento do ar. Quanto maior o gradiente horizontal de press�o, maior ser� a for�a do gradiente de press�o e, por conseguinte, a acelera��o.

A terceira for�a observada � a For�a de Coriolis. Essa for�a s� aparece ap�s a parcela de ar  entrar em movimento e � devido ao fato de que os ventos (aqui entendido como o movimento do ar em rela��o �  Terra) s�o observados em um referencial fico na superf�cie. Como a terra � um referencial �n�o inercial�, para um observador na superf�cie isso vai implicar no aparecimento de uma �for�a fict�cia�, que � a For�a de Coriolis.  O efeito da for�a de Coriolis pode ser entendido de uma maneira simples, imaginando-se um �experimento� em um carrossel. Imagine que em um instante inicial uma bola � lan�ada do centro do carrossel na dire��o de um alvo triangular pr�ximo � borda do carrossel. Conforme a bola avan�a para a borda, o alvo vai se movendo tamb�m no sentido da rota��o do carrossel. Para um observador que esteja fora do carrossel, a bola vai descrever uma trajet�ria perfeitamente retil�nea, j� que o observador est� em um referencial inercial, valendo portanto a primeira lei de Newton.  Por outro lado, se o observador estivesse fixo sobre o alvo (isto �, no referencial n�o inercial) ele veria a bola se desviar para a direita de sua dire��o de movimento, como e uma �for�a� estivesse agindo sobre o corpo. Esse experimento pode ser extrapolado de modo que o carrossel seja a Terra. O observador �inercial�, neste caso, estaria exatamente sobre o Polo Norte e fora da Terra. O observador �n�o-inercial� estaria fixo sobre a superf�cie da Terra. A �bola� seria uma parcela de ar movendo do Polo Norte em dire��o ao equador. Com um pouco de abstra��o pode-se perceber que quanto maior for a velocidade da parcela, maior ser� a �for�a aparente�. Portanto entendemos que a For�a de Coriolis, no hemisf�rio Norte, que possui um giro anti-hor�rio, a For�a de Coriolis age sempre no sentido de desviar o movimento para a direita. No caso do hemisf�rio Sul, a For�a de Coriolis age no sentido de desviar o movimento  para a esquerda.

A �tlima for�a a ser estudada aqui � a For�a de Atrito. Esse tipo de for�a � tamb�m familiar a todos n�s, e aparece ap�s o movimento das parcelas de ar. Essa for�a faz com que um corpo em movimento e em contato com uma superf�cie pare ap�s um certo tempo, atrav�s do atrito do corpo com as rugosidades da superf�cie.  Esta for�a s� �  importante nas primeiras centenas de metros da atmosfera, pr�ximo � superf�cie e depende da velocidade das parcelas de ar, das caracter�sticas da superf�cie (rugosidade), e do gradiente vertical de temperatura.

Fazendo-se um resumo de todas as for�as, temos que:

• For�a da Gravidade: acelera o ar para baixo, mas n�o modifica a componente vertical do vento.

• For�a do Gradiente de Press�o: Acelera o ar das regi�es de alta press�o para as regi�es de baixa press�o.

• For�a de Coriolis: desvia os ventos para a direita de sua dire��o de movimento n�o Hemisf�rio Norte, e para a esquerda no Hemisf�rio Sul.

• For�a de Atrito: desacelera os ventos pr�ximos � superf�cie.

Circula��o geral da atmosfera

A circula��o do ar na escala global � composta de um complexo  conjunto de sistemas de ventos e press�o. Antes de entrarmos na discuss�o das caracter�sticas observadas da circula��o geral da atmosfera, � conveniente utilizarmos um modelo idealizado da Terra.

Vamos considerar inicialmente que a Terra est� parada (sem rota��o), e que a superf�cie � toda homog�nea.  A energia solar, por unidade de �rea, absorvida na regi�o equatorial � maior do que a absorvida nas regi�es polares. O ar equatorial, em contato com superf�cie ir� ent�o se aquecer mais nessa regi�o do que nos p�los. O ar equatorial torna-se mais �leve� e portanto sobe, enquanto o ar das regi�es polares, mas frio e pesado, desce. Por uma quest�o de continuidade de massa, estabelece-se ent�o uma �c�lula de circula��o�: o ar na superf�cie, que vem dos p�los, sobe para os altos n�veis no equador, retorna aos p�los em altos n�veis, e desce nessas regi�es, fechando assim a circula��o da c�lula. Essa circula��o deve-se ao gradiente de press�o entre os p�los e o equador, num mecanismo semelhante ao da brisa.

Vamos agora permitir que a Terra adquira um movimento de rota��o. Pelo efeito da for�a de Coriolis, os ventos em superf�cie, que sopravam de norte no Hemisf�rio Norte ir�o se transformar agora em ventos de nordeste, enquanto que no Hemisf�rio Sul, que vinham de sul, ir�o se transformar em ventos de sudeste. Circula��es no sentido inverso (sudoeste no Hemisf�rio Norte e noroeste no Hemisf�rio Sul) dever�o ocorrer nos n�veis superiores de nossa Terra hipot�tica.

Por outro lado, neste ponto, os ventos em superf�cie tem um dire��o oposta � da rota��o da Terra. Pelo efeito da for�a de fric��o, seria de se esperar que  esse atrito fosse �diminuindo� a velocidade de rota��o da Terra com o tempo. Mas a velocidade de rota��o da Terra � constante, ou seja, n�o se observa essa diminui��o. Para satisfazer esse fato, houvesse o anulamento dessa for�a de atrito, existindo assim ventos de oeste que se anulariam a for�a de atrito dos ventos de leste. Os ventos na superf�cie ser�o:

1. de nordeste, entre cerca de 30�N e o equador, e de sudeste entre 30�S (os quais existem e chamam-se �ventos al�seos�);

2. de sudoeste entre 30�N e 60�N, e no noroeste entre 30�S e 60�S (os quais existem e chamam-se �ventos de oeste�);

3. de noroeste entre 60�N e 90�N, e de sudeste entre 60�S e 90�S (os quais existem e chamam-se �ventos polares�);

Como a converg�ncia e diverg�ncia dos ventos na superf�cie est�o ligados � regi�es de baixa e alta press�o, respectivamente, � de se esperar uma faixa de baixa press�o na regi�o equatorial e em latitudes m�dias (~60�), e faixas de alta press�o em latitudes subtropicais (~30�) e polares. Essas regi�es existem. A regi�o de converg�ncia dos al�seos  na regi�o equatorial � chamada �Zona de Converg�ncia Inter-Tropical�(ZCIT).  As regi�es de alta press�o 30�N e 30�S , chamada �latitude dos cavalos�, possuem ventos calmos.  As regi�es de baixa press�o 60�N e 60�S, s�o locais onde ocorre o encontro de massas de ar quente e �mido proveniente das regi�es subtropicais, com o ar firo e seco das regi�es polares, o que forma as conhecidas frentes frias e quentes e ciclones.

Analisando essa atmosfera descrita numa se��o vertical, observamos o aparecimento de 3 pares de C�lulas de Circula��o, na escala global:

1. C�lula de Hadley (entre 0� e 30�);

2. C�lula de Ferrel (entre 30� e 60�); e

3. C�lula Polar (ente 60� e 90�).

O que acontece quando uma massa de ar quente se desloca em direção a massa de ar frio?

Quando uma massa de ar frio se desloca em direção a uma massa de ar quente e úmido que está parada em uma determinada região ocorre uma?

O que ocorre no encontro de uma massa de ar quente e uma fria?

Como as frentes frias se deslocam?