TEMPESTADES

1. TEMPESTADES Sites interessantes: • http://www.srh.noaa.gov/srh/jetstream/mesoscale/tstrm_intro.htm • http://www.tornadoproject.com/ • http://www.nssl.noaa.gov/edu/ • http://www.srh.noaa.gov/srh/jetstream/lightning/lightning_intro.htm • http://thunder.msfc.nasa.gov/ • http://www.crh.noaa.gov/mkx/slide-show/tstm/index.html

2. DEFINIÇÃO • Sistema “convectivo” local, • de mesoescala (2 a 200 Km, duração de uma a algumas horas), • com uma ou mais nuvem cumulunimbus, (portanto, com chuva) • e, quando “severa”, muita chuva, acompanhada de raios e trovões (trovoada – “thunderstorm”), fortes rajadas de vento, granizo e, eventualmente, tornados.

3. “CUMULUNIMBUS” BIGORNA Topo a 10-15 Km Ventos em altos níveis CHUVA

4. “ESCALA” DOS FENÔMENOS METEOROLÓGICOS Sistemas “muito” diferentes

5. CONVECÇÃO NATURAL Aquecimento diferenciado na superfície  “flutuação” de “térmicas” CORRENTES ASCENDENTES DE AR

6. INGREDIENTES NECESSÁRIOS PARA A FORMAÇÃO DE TEMPESTADES 1) Umidade (vapor d’água) FONTES DE UMIDADE: - São geralmente grandes corpos de água tais como oceanos e grandes lagos. - Regiões com vegetação abundante (evapotranspiração) NO BRASIL : - massa de ar marítimo tropical, - ou Equatorial continental (Amazônia) - nas estações mais quentes (primavera, verão, outono)

7. INGREDIENTES NECESSÁRIOS PARA A FORMAÇÃO DE TEMPESTADES • 2) “Instabilidade” atmosférica • O ar é considerado “instável” quando • dado um deslocamento na vertical • para cima, • ele continua subindo • dado um deslocamento na vertical • para baixo • ele continua descendo • Uma massa de ar “instável” é caracterizada por • ar quente e úmido próximo à superfície • e frio e seco em níveis mais altos.

8. INGREDIENTES NECESSÁRIOS PARA A FORMAÇÃO DE TEMPESTADES 3) Um mecanismo de ascensão do ar CONVECÇÃO NATURAL CONVECÇÃO FORÇADA

9. BRISA MARITIMA: Um mecanismo de ascensão do ar

10. 9 pm to 9 am (madrugada e manhã) TEMPESTADES e CIRCULAÇÕES LOCAIS (brisa e ilha de calor) 9 am to 9 pm (tarde e noite) Ex.: chuvas de verão em SP

11. CICLO DE VIDA DE UMA TEMPESTADE ESTÁGIO DE CUMULUS • Primeiro estágio de uma • tempestade • Uma nuvem cumulus começa a se • desenvolver, até cerca de 6 • Km de altura • O ar dentro da nuvem é dominado por “correntes ascendentes”, com vórtices turbulentos nas bordas da nuvem.

12. CICLO DE VIDA DE UMA TEMPESTADE ESTÁGIO MADURO • - Estágio mais intenso e perigoso • - Atinge uma altura considerável (12 a 18 km) • - Coexistem fortes correntes ascendentes e descendentes • - A corrente descendente é resultante da evaporação da precipitação, que causa o esfriamento (e aumento da densidade) do ar • A precipitação causa também um “arrasto” do ar para baixo, intensificando as correntes descendentes • No solo, a corrente descendente fria se espalha e forma uma “frente de rajada, a qual pode incluir ventos danosos (“downburst”) • No topo da tempestade a nuvem se espalha e forma uma bigorna. • Se a corrente ascendente for muito forte, uma “bolha de nuvem” (chamada “overshooting top”) irá aparecer acima da bigorna. • - Sob o “overshooting top”: área preferencial para a formação de fenômenos severos (tornados, granizo, raios, ventos e precipitação intensa)

13. CICLO DE VIDA DE UMA TEMPESTADE ESTÁGIO DE DISSIPAÇÃO • No estágio final as correntes descendentes predominam dentro da nuvem • As correntes descendentes destroem as correntes ascendentes, cortando o suprimento de umidade. • Chuva leve e fracos ventos podem permanecer por um tempo durante este estágio, deixando o topo de bigorna. • Todo o ciclo de uma tempestade (do estágio de cumulus ao de dissipação) dura de 30 minutos a 1 hora.

14. Classificação de tempestades • Tempestade de célula única ou “tempestade de massa de ar” : Tem duração típica de 20-30 minutos. Tempestades “pulsantes” podem produzir fenômenos severos tais como “downbursts”, granizo, chuva intensa e, ocasionalmente, tornados. • Aglomerado multicelular : Um grupo de células se movendo em conjunto, com cada célula em diferentes estágios de desenvolvimento. Tempestades multicelulares podem produzir granizo de tamanho moderado, enchentes e tornados fracos. • Linha multicelular (linha de instabilidade - squall line) : Consiste de uma linha de tempestades com uma “frente de rajada” continua e bem desenvolvida, na dianteira da linha. Tem longa duração e podem produzir granizo de tamanho pequeno a moderado, enchentes ocasionais e fracos tornados • Supercélulas: Definida como uma tempestade com correntes ascendentes girantes, essas tempestades podem produzir fortes “downbursts”, granizo de grandes tamanhos, e tornados de fracos a violentos. Ocorrem em ambiente com forte cisalhamento do vento.

15. Aglomerado Multicelular

16. Linha Multiceleular (Linha de Instabilidade “Squall Line”) Linha de Instabilidade em Rondônia

17. Supercélulas

18. “Cisalhamento” do vento (direcional e de velocidade) Cisalhamento direcional : mudança na direção do vento com a altura No HS - vento girando com altura no sentido horário significa advecção de ar frio em baixos níveis (o que “estabiliza” a atmosfera) - vento girando com altura no sentido anti-horário significa advecção de ar quente em baixos níveis (o que “instabiliza” a atmosfera) Cisalhamento de velocidade : mudança no módulo da velocidade do vento com a altura Tende a criar “rolos” horizontais que, quando são “levantados” (na vertical) podem criar regiões de “mesociclones” que, por sua vez, favorecem a formação de tornados FORTE CISALHAMENTO DO VENTO (direcional e de velocidade) é uma condição necessária para a manutenção de “supercélulas”

19. Fenômenos associados a tempestades severas VENTOS RAIOS TORNADOS GRANIZO ENCHENTES

20. GRANIZO Formam-se quando as correntes ascendentes carregam gotas de chuva para os níveis mais frios da atmosfera (altos níveis). Crescem por colisão com gotas “super-resfriadas” (gotas de água liquida em ar com temperatura abaixo de zero). Quando a corrente ascendente é forte, o gelo que cai na corrente ascendente, é levado novamente para cima, sucessivamente, até atingir tamanhos grandes o suficientes para vencer as correntes ascendentes. Quanto mais forte a corrente ascendente (dias muito quentes), maiores são os granizos formados.

21. VENTOS EXTREMOS (“downburst”) Fortes ventos de tempestades podem atingir até 160 km/k na superfície “Downburst” são mais comuns que tornados, mas às vezes são confundidos com eles. A diferença é que nos tornados os escombros são espalhados em espiral, enquanto que nos “dowburst’s” eles são espalhados em linha reta. O “downburst” é iniciado pelo arrasto do ar pela precipitação, para baixo, e é intensificado pela evaporação da chuva Podem ser muito perigosos durante o pouso e decolagem de aeronaves.

22. ENCHENTES (chuvas intensas) Causada por tempestades que se deslocam lentamente, ou tempestades seguidas sobre a mesma região. Podem ocorre em questão de minutos ou horas, dependendo da intensidade e duração da chuva, da topografia, condições do solo, e do tipo da cobertura da superfície Podem derrubar construções, arrancar árvores, provocar deslizamentos e, posteriormente, provocar doenças. Tem grande dependência das “políticas públicas” do Governo

23. TORNADOS Definição : é uma coluna de ar com forte rotação (geralmente anti-horária no HN, e horária no HS), que desce de uma nuvem de tempestade até o solo. Geralmente tem duração menor que 10 minutos, porém alguns podem durar mais de uma hora, e atravessar vários quilômetros, causando danos consideráveis A maioria dos tornados são formados em “super-células” (tempestade caracterizada por uma forte e persistente corrente ascendente em rotação, que se forma em ambiente com forte cisalhamento vertical - em direção e intensidade - do vento)

24. A formação da “SUPER-CÉLULA” A corrente ascendente inclina a coluna de ar em rotação gerada pelo cisalhamento em velocidade do vento Isso gera duas rotações diferentes: rotação ciclonica (anti-horária no HN e horária no HS) rotação anti-ciclonica (horária no HN e anti-horária no HS) O cisalhamento direcional do vento amplifica a rotação ciclonica e diminui a rotação anti-ciclonica. O que resta é uma rotação ciclonica chamada de “meso-ciclone”, que caracteriza a “supercélula”

25. A “super-célula” vista pelo Radar Visto por cima, a rotação anti-horária (no HN) do mesociclone dá à super-célula sua aparência clássica de “gancho”, quando visto pelo radar. HN A imagem abaixo foi observada no Texas, em 28 de março de 2000, às 19 hs. HS

26. O processo de formação do TORNADO … o processo exato ainda não é conhecido A “nuvem” funil de um tornado consiste de ar úmido. Quando o funil “desce” o vapor d’água nele é condensado na forma de gotículas. As gotículas líquidas são idênticas às da nuvem, porém não são consideradas como parte dela, já que são formadas dentro do funil. O funil descendente se torna visível por causa dessas gotas, e adquire, portanto a cor da nuvem (branca).

27. TORNADO Devido ao movimento do ar, poeira e escombros na superfície começam a girar, às vezes subindo a dezenas de metros de altura, e se espalhando , de forma circular, a centenas de metros. Depois que o funil atinge o solo e se torna um “tornado”, a cor do funil pode mudar, dependendo do tipo de poeira e escombro que existe por onde ele se move (poeira vermelha produz tornado vermelho, poeira preta, tornado preto,…) O tornado perde intensidade gradualmente. O funil diminui de tamanho e o tornado se torna inclinado com a altura, adquirindo a aparência de uma “corda” retorcida até desaparecer completamente.

28. TORNADOS

29. TORNADOS sobre água  “tromba d’água” BACIA DE CAMPOS (?) - 2003 “circularam” na Internet, autor desconhecido...... procura-se.

30. Classificação dos tornados Classificados de acordo com os danos provados, pela “Escala F” (de Teodore Fujita) A escala F deve ser usada com cautela: as velocidades nos tornados não são exatamente conhecidas; diferentes velocidades de vento podem causar o mesmo estrago, dependendo de diversos fatores : (como são construídas as edificações, direção e duração do vento, tipo de escombro que voa, etc)

31. REGIÕES E ÉPOCAS DE OCORRÊNCIA DE TORNADOS PRIMAVERA

32. RAIOS Um dos mais antigo fenômenos da natureza, observado e temido pelo homem …. (Zeus, Odin/Thor, Iansã, Santa Bárbara, ....) mas ainda um dos menos entendido….. (pela ciência) Embora seja “simplesmente” uma gigantesca faísca elétrica, pouco se sabe como ocorre, e qual sua importância no “sistema” Terra. Raios são observados em erupções vulcânicas, incêndios florestais intensos, detonação nuclear em superfície, fortes tempestades de neve, e , principalmente, em tempestades severas.

33. Ocorrência de RAIOS na Terra Em qualquer instante, podem estar ocorrendo até 2000 trovoadas na Terra. Isso significa mais de 14,5 milhões de tempestades por ano, sendo que cada tempestade produz cerca de 40 raios por seg.!!! .... Vivemos num planeta eletrificado. Raios/Km2ano SOBRE TERRA REGIÃO TROPICAL

34. Como o raio é gerado ? 1o . Geração das cargas elétricas na nuvem: Necessária a presença de cristais de gelo, granizo, e gotas de água super-resfriadas e fortes correntes ascendentes Quando as partículas de gelo mais pesadas (granizo) caem, chocam-se com as gotículas de água super-resfriadas e cristais de gelo, e “capturam” elétrons dessas partículas. As partículas mais pesadas (carregadas negativamente) descem para a parte inferior da nuvem, enquanto as mais leves (carregada positivamente) são carregadas, pelas correntes ascendentes, para níveis superiores das nuvens.

35. 2o . Geração do campo elétrico: A separação das cargas nas nuvens produz um forte campo elétrico entre sua base e topo. Quanto maior a carga elétrica, mais forte é o campo elétrico, e maior a atração entre as cargas. Mas, a atmosfera é um bom isolante, então deve-se formar uma ENORME carga elétrica antes de acontecer o raio. Quando um certo valor de carga é atingido, a força do campo elétrico é maior que as propriedades isolantes da atmosfera, então acontece o raio (dentro da nuvem). .ALÉM DISSO, outro campo se forma (por indução) entre a base da nuvem e o solo, e acompanha a nuvem como uma “sombra” enquanto elas se desloca. Esse campo é mais fraco que o interno à nuvem, o que faz com 75-80 % dos raios ocorram “dentro” da nuvem.

36. TIPOS DE RAIOS RAIOS INTRA-NUVEM RAIOS POSITIVOS + + + + + • RAIOS NUVEM-CÉU • RAIOS NUVEM-NUVEM • RAIOS NUVEM-SOLO - - - - - - - - - - - -

37. Como o raio acontece ? • O raio nuvem-solo se inicia dentro da nuvem : • Sob a influencia do forte campo elétrico entre a nuvem e o solo, • um canal carregado negativamente, muito tênue e imperceptível, chamado de “stepped leader“ – “líder escalonado” – • surge da base da tempestade e se propaga para o solo • em uma série de “faíscas” de ~ 50 m de comprimento • e com 1 microssegundo (1/1.000.000) de duração • O “líder escalonado”: • Uma “avalanche de elétrons”, ramificando-se para baixo • enquanto se aproxima do solo. • Carrega um potencial elétrico EXTREMAMENTE forte – • ~ 100 milhões de volts em relação ao solo e cerca de 5 Coulomb de carga negativa • Pausa de cerca de 50 microssegundos, • o líder escalonado “olha” ao redor a procura de algum objeto para atingir. Se nenhum é “visto”, ele forma outro passo, e repete o processo até “encontrar” um alvo.

38. Duração do “líder escalonado”: • ~ 50 milisegundos (1/20 de segundo) para atingir toda sua extensão. • Um único líder pode ser composto de mais de 10.000 “passos” (“faíscas”). • Quando o líder escalonado se aproxima do solo: • sua forte carga negativa repele todas as cargas negativas • próximo a região onde ele irá atingir na superfície, • atraindo uma grande quantidade de carga positiva. • A indução de “correntes” ascendentes (+) : • O afluxo de carga positiva • na região da ser atingida é tão forte • que o líder escalonado, na verdade, • induz que canais elétricos • (conhecidos como “streamers”) • subam da superfície em direção a ele. • A última “faísca” do líder escalonado: • Quando uma dessas “correntes”, positivamente carregada, • conecta com o líder escalonado • (entre 30 a 100 metros da superfície) • a próxima, e última, “faísca” • ocorre em menos de 100 microssegundos.

39. Após o contato entre o “líder escalonado” e a “corrente” positiva : • A carga negativa do líder escalonado começa a fluir PARA BAIXO • pelo canal estabelecido, (e, portanto, uma corrente elétrica para cima) • O “choque de retorno” : forte corrente elétrica que sobe do solo para a nuvem O pico da corrente é atingido em ~1 microseg. Com valor de ~ 30.000 Amperes Produz mais de 99 % da luminosidade do raio Acontece tão rapidamente que a impressão é que vai de cima para baixo

40. Após o “choque de retorno”: • Se mais carga elétrica negativa estiver disponível na nuvem, • dentro de um intervalo de 20 a milisegundos, • pode-se formar um novo “líder” (“faísca”) que se propaga para o solo • O “líder dardo” : • Esse “líder” é chamado de “líder dardo” e não é ramificado, pois segue o caminho já estabelecido pelo “líder escalonado” e “choque de retorno” iniciais. • O “líder dardo” dá ao relâmpago sua aparência de “piscante” • Nem sempre todo raio produz um “líder dardo” • O pico da corrente do “líder dardo” é normalmente menor que a do “líder escalonado” inicial e seu “choque de retorno” tem uma duração mais curta que o “choque de retorno” inicial.

41. Como o raio é visto:

42. O TROVÃ0 “Onda de choque” acústica, gerada pela súbita expansão do ar, devido ao aquecimento do canal por onde passa o raio, que atinge uma temperatura de 30.000 C (5x a temperatura na superfície do sol !!!), em uma fração de segundo. A onda de choque acústica é gerada em cada ponto do caminho do raio (a ilustração mostra somente 4 pontos) Próximo ao raio, a pessoa escuta uma forte explosão, e a medida que outras ondas de choque chegam de regiões mais distantes, o som ouvido tem menor intensidade e maior duração.

43. A QUE DISTÂNCIA “CAIU” O RAIO ? Velocidade da luz : ~ 300.000 Km/s (...“instantânea” !!!) Velocidade do som : ~ 300 m/s A temperatura do ar afeta o som do trovão e a distância que se pode escutá-lo: Em ar quente, o som se propaga mais rapidamente que em ar frio. Normalmente a temperatura do ar decresce com a altura e, quando isso ocorre, o trovão é audível a uma distância de até ~16 Km. Porém, quando a temperatura aumenta com a altura (“inversão térmica”) as ondas de som são refratadas para baixo, fazendo com que o som do trovão seja mais intenso e tenha maior duração.