E4 Máquina Térmica Atmosférica

Tópico

A atmosfera funciona como uma máquina térmica, convertendo a diferença de temperatura entre uma fonte quente e uma fria em trabalho mecânico: a fonte quente são os trópicos, próximos a 300 Kelvin, e a fonte fria são os polos, próximos a 240 Kelvin. O trabalho mecânico que essa máquina térmica atmosférica produz a partir dessa diferença de temperatura entre as fontes quente e fria consiste em ventos, ciclones e ondas atmosféricas. Essa estrutura termodinâmica é fundamental para a compreensão tanto da intensidade da circulação atmosférica geral quanto de como essa circulação responde às mudanças climáticas.

Toda máquina térmica, incluindo a máquina térmica atmosférica, possui um limite superior de eficiência que depende exclusivamente da razão entre a temperatura do reservatório frio e a temperatura do reservatório quente: esse limite superior de eficiência é igual a um menos essa razão. Portanto, quanto mais próxima a temperatura do reservatório frio estiver da temperatura do reservatório quente — ou seja, quanto menor a diferença de temperatura entre os dois reservatórios —, menor será o limite superior de eficiência da máquina térmica atmosférica. A eficiência real da circulação atmosférica fica bem abaixo desse limite superior de eficiência, mal atingindo dois por cento, porque muitos dos processos que ocorrem dentro da máquina térmica atmosférica são irreversíveis e não conseguem converter a diferença de temperatura entre os reservatórios quente e frio em trabalho mecânico com a eficiência máxima que o limite superior de eficiência permitiria.

Essa irreversibilidade da máquina térmica atmosférica é explicada por um balanço de entropia: o próprio gradiente de temperatura entre os reservatórios quente e frio que impulsiona a máquina térmica atmosférica tende, por si só, a reduzir a entropia do sistema climático, enquanto os processos dissipativos da máquina térmica atmosférica — atrito e a cascata turbulenta que quebra grandes vórtices em vórtices cada vez menores — produzem entropia. No funcionamento em regime permanente da máquina térmica atmosférica, a entropia produzida pelos processos dissipativos equilibra exatamente a entropia reduzida pelo gradiente de temperatura entre os reservatórios quente e frio, e é precisamente essa produção de entropia por dissipação que impede a máquina térmica atmosférica de atingir o limite superior de eficiência descrito anteriormente.

Em um sistema climático em aquecimento, a temperatura do reservatório frio sobe mais rapidamente do que a temperatura do reservatório quente, um fenômeno conhecido como amplificação polar. Esse aumento mais rápido na temperatura do reservatório frio reduz o gradiente de temperatura entre os reservatórios quente e frio. Como o limite superior da eficiência da máquina térmica atmosférica depende desse mesmo gradiente de temperatura, um gradiente de temperatura menor também reduz a eficiência da máquina térmica atmosférica. Uma máquina térmica atmosférica menos eficiente produz menos trabalho mecânico: a circulação geral da atmosfera e a corrente de jato de latitudes médias, duas das maneiras pelas quais a máquina térmica atmosférica converte sua diferença de temperatura em trabalho mecânico, enfraquecem. Esse enfraquecimento da circulação geral da atmosfera e da corrente de jato de latitudes médias, que se origina da mesma máquina térmica atmosférica e dos mesmos reservatórios quente e frio com os quais esta descrição começou, tem implicações profundas para os padrões climáticos que essa circulação geral e essas correntes de jato produzem.

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