E5 Turbulência e Camada Limite Atmosférica

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A camada limite atmosférica é a camada mais baixa da troposfera, diretamente influenciada pela superfície da Terra, com uma espessura que varia entre cem e dois mil metros, dependendo da hora do dia. Durante o dia, o aquecimento da superfície gera convecção térmica, que mistura vigorosamente toda a camada limite atmosférica de cima para baixo. À noite, por outro lado, o resfriamento radiativo da superfície cria uma camada noturna estável na qual a turbulência é suprimida. Assim, a camada limite atmosférica alterna diariamente entre um estado turbulento e misturado durante o dia e um estado estável e calmo durante a noite, e essa alternância diária se repete a cada novo ciclo de aquecimento e resfriamento da superfície.

A turbulência que domina a camada limite atmosférica durante o dia não se limita a misturar o ar: ela também transporta momento, calor sensível e calor latente da superfície para a atmosfera, carregando para cima o momento, o calor e a umidade que a superfície fornece à camada limite atmosférica.

Para descrever essa turbulência na parte mais baixa da camada limite atmosférica, os dez a cinquenta metros mais próximos do solo, a teoria da similaridade de Monin-Obukhov é a estrutura teórica padrão. Essa teoria define o comprimento de Obukhov, uma escala de altura na qual a produção de turbulência devido aos efeitos mecânicos do vento e a produção de turbulência devido aos efeitos térmicos do aquecimento ou resfriamento da superfície se tornam comparáveis. Comparar a altura na qual a medição está sendo feita com esse comprimento de Obukhov permite classificar o estado da camada: quando essa comparação resulta em um valor negativo, a camada está em um estado instável, dominado pela convecção térmica; quando o resultado é positivo, a camada está em um estado estável, com a turbulência suprimida, como ocorre à noite.

Usando a mesma comparação entre a altura e o comprimento da camada de Obukhov, os perfis de vento e temperatura dentro dessa camada superficial seguem funções de similaridade que dependem dessa comparação. Essas funções de similaridade modificam o perfil logarítmico que o vento e a temperatura teriam se a camada estivesse em um estado neutro — nem instável nem estável.

Em modelos numéricos, a turbulência que ocorre em uma escala menor do que o próprio modelo pode resolver ainda precisa ser representada de alguma forma e, para esse propósito, existem parametrizações de turbulência não resolvida. Os esquemas mais simples, de primeira ordem, descrevem o fluxo turbulento como proporcional ao gradiente da quantidade transportada, multiplicado por uma difusividade turbulenta que resume, em um único número, todo o efeito da turbulência não resolvida. Esquemas de ordem superior, por outro lado, resolvem explicitamente uma equação que prevê como a própria energia cinética turbulenta evolui e usam essa energia cinética turbulenta para calcular o fluxo turbulento com mais detalhes do que um esquema simples de primeira ordem permite.

Duas quantidades resumem, mais do que quaisquer outras, o estado de toda a camada limite atmosférica em qualquer momento dado: a velocidade de fricção, que mede a intensidade com que o vento agita a superfície, e o fluxo de calor turbulento que sai da superfície, que mede quanto calor a superfície fornece à camada limite atmosférica naquele instante. Essas duas grandezas são os parâmetros fundamentais que controlam a estrutura da camada limite atmosférica: elas alimentam tanto a teoria da similaridade de Monin-Obukhov quanto as parametrizações da turbulência não resolvida e são, em essência, a versão resumida e mensurável de todo o aquecimento diurno, resfriamento noturno e turbulência descritos desde o início.

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