Estrutura vertical da Temperatura

Estrutura vertical da Temperatura

A influência dos continentes e oceanos diminui com a altura, então em níveis da média troposfera (500mb) as isotermas são mais uniformes ao longo de um círculo de latitude. Uma característica dos campos de temperaturas de média e baixa troposfera é o padrão de grande escala de ondas estacionárias principalmente com um ou dois números de onda. Os fortes gradientes de temperaturas polo para o equador são encontrados em médias latitudes e são mais intensos durante o inverno. Na estratosfera acima da tropopausa os gradientes de temperatura horizontal são invertidos desde que as mais baixas temperaturas são observadas sobre o equador.Para discutir a estrutura de temperatura vertical da atmosfera a distribuição zonal média de temperatura é dada na figura I para estações extremas e para a temperatura anual média.  No lado direito da figura é mostrado condições hemisféricas e global média. 

Figura I. Seção transversal zonal média da temperatura para as condições anual média, DJF, JJA, em °C. Perfis verticais hemisférico e anual médio de temperatura são mostrados no lado direito.

A figura mostra um rápido decréscimo de temperatura com a altura na troposfera e condições inversas na baixa troposfera. Por exemplo, perto do equador a diferença de temperatura entre a superfície e a tropopausa (em torno de 17 km de altura) é da ordem de 105K. Na baixa estratosfera a temperatura aumenta suavemente com a altitude em médias latitudes e se torna quase isoterma nas regiões polares. A tropopausa varia em altitude a partir de em torno de 10Km (250mb) nos polos até 17Km (~100mb) no equador. Os gradientes verticais de temperatura são mais fortes na troposfera superior tropical devido à subsidência ao redor de profundas nuvens cumulonimbus na ZCIT e a evaporação e resfriamento radiacional nos topos dessas nuvens. As temperaturas mais baixas de inverno que são observadas em 50mb no Hemisfério Sul estão associadas com o jato polar noturno.  Tal como as baixas temperaturas são também encontradas no Hemisfério Norte, mas acima de 50mb elas não aparecem nas seções cruzadas na figura I. Devido a sua importância para estudos de processos dinâmicos na atmosfera, vamos discutir a distribuição da temperatura potencial  zonal média.

A seção transversal zonal média da temperatura potencial zonal média é mostrada na figura II(a) aproximadamente simétrica com relação ao equador semelhante à seção cruzada da temperatura na figura I.

Figura II. Média zonal das seções transversais da temperatura potencial (a) em Kelvin, temperatura potencial equivalente (b) em kelvin, gradiente vertical da temperatura potencial (c) em K/Km, gradiente vertical da temperatura potencial (d) em K/Km, e a frequência de Brunt-Väisälä em 10^-3rad s^-1 para condições anuais médias. 

Os valores mínimos de temperatura potencial são observados nas regiões polares perto da superfície da Terra. Os valores da temperatura potencial aumentam com a altura. Os grandes gradientes verticais ∂θ/∂z ocorrem na estratosfera, como mostra a figura II(c). Nas regiões intertropicais, os gradientes horizontais em θ são justamente pequenos comparados com aqueles em médias e altas latitudes.

A partir das distribuições verticais de T e θ podemos inferir a distribuição com a altura da estabilidade estática. A estabilidade estática é dada por

Onde γ_d = 1°C/100m  e γ = 0.6 °C/100m  que podem ser deduzidos a partir dos perfis na figura I, e a atmosfera estando em equilíbrio estável. A mesma conclusão é atingida quando consideramos os valores dedados na figura II(c), desde que sejam positivos quase em todo o lugar. Entretanto, localmente em certas situações especiais a atmosfera pode estar instável (γ > γ_d ) e a convecção seca pode ocorrer.  

A figura II (c) mostra uma seção cruzada zonal média da frequência
de Brunt-Vaisala N

para oscilações verticais de pequena escala que podem ocorrer superimpostas nos padrões de fluxos atmosféricos de grande escala. Os valores de N são da ordem de 10^-2 rad s^-1 os quais correspondem com um período de oscilação ( = 2π/N ) em torno de 10 minutos. Na troposfera N varia a partir de valores menores que 10 x 10^-3 rad s^-1 perto da superfície até valores de   14 x 10^-3 rad s^-1 ou mais em altas latitudes perto do nível de 850mb. Na estratosfera N aumento para valores maiores que 20 x 10^-3 rad s^-1. Desde que N é também uma medida de estabilidade, sua seção cruzada se assemelha a ∂θ/∂z na figura II(c).

Uma seção transversal zonal média da temperatura potencial equivalente θ_e é dada na figura II(b). Ela mostra que os mais altos valores de θ_e ocorrem nas regiões intertropicais com um perfil bimodal na vertical e que a distribuição meridional de θ_e é quase simétrica com relação ao equador. Como a temperatura potencial equivalente e a temperatura potencial estão relacionadas através da equação

as duas seções cruzadas mostram alguma semelhança. As diferenças principais são encontradas na baixa e média troposfera dos trópicos, onde a saturação da umidade específica q_s é grande. Na troposfera superior e estratosfera, elas são em torno da mesma, pois o forte decréscimo no vapor d’água com a altura e q_s→0. Os perfis médios de θ e θ_e no lado direito das figuras II(a) e II(b) são diferentes na troposfera, onde θ_e tem substancialmente altos valores. O valor quase constante de θ_e na troposfera confirma o conceito de que θ_e é uma propriedade conservativa (ambos) com e sem precipitação, fornecido que as transformações são pseudoadiabáticas, isto é, se toda a água condensada é precipitada.

A seção cruzada de ∂θ_e/∂z na figura II(d) é uma medida da instabilidade condicional (ou umidade convectiva). Ela difere substancialmente da seção cruzada de ∂θ/∂z para o ar seco. Os valores de ∂θ_e/∂z são negativos na baixa troposfera, e a linha zero alcança do nível 700mb nos trópicos, indicando forte instabilidade condicional. Isto mostra o quão importante a convecção é nos trópicos. Devemos notar que estamos concordando com quantidades zonalmente médias e que a convecção local pode alcançar até altos níveis perto da tropopausa, especialmente na ZCIT.

Os gradientes de temperatura horizontal são mostrados na figura III.

Figura III. Seção transversal média zonal do gradiente de temperatura meridional em °C/1000km para médias condições anuais, DJF e JJA. Os perfis verticais de valores médios hemisféricos e globais são mostrados na direita.

Os gradientes horizontais de temperatura são mais fracos do que os gradientes de temperatura vertical, mas são muito importantes, pois são uma medida da energia potencial disponível a qual é a principal fonte de energia para a circulação geral da atmosfera. Além disso elas são também uma medida da baroclinidade que tem um papel importante no desenvolvimento de sistemas do tempo. As distribuições sazonais dos gradientes de temperatura horizontal mostram que as diferenças inverno-verão são muito menores no Hemisfério Sul do que no Hemisfério Norte. Os padrões de médias latitudes são deslocados em direção ao equador de suas posições médias anuais no inverno e em direção aos polos no verão, em fase com as mudanças na inclinação solar.