24Os ventos e a circulação geral

Durante séculos, os veleiros que saíam dos portos da Europa e da África para as Américas contavam com um vento constante vindo do leste, que sopra dos dois lados do equador e os levava através do Atlântico. Os marinheiros do mundo inteiro o conheciam, e o comércio inicial com as Américas dependia dele: é o alísio. Ainda hoje, os navios de carga usam os alísios, e as correntes oceânicas que eles movem, para encurtar as suas viagens.

Por que o alísio sopra do leste, e sempre nos mesmos lugares? Por que há desertos perto dos trópicos e florestas tropicais úmidas perto do equador? A resposta começa no Sol.

O que você já sabe

O vento é ar em movimento (os livros de física). O ar faz pressão sobre tudo o que ele toca, e a pressão cai com a altitude (Capítulo 23). O tempo meteorológico acontece na troposfera, a camada mais baixa da atmosfera. A Terra tem zonas climáticas: quente e úmida perto do equador, com florestas tropicais úmidas; desertos quentes e áridos perto dos trópicos; zonas temperadas, e depois frias, em direção aos polos (Capítulo 11).

24.1 O Sol aquece a Terra de maneira desigual

Ao meio-dia de um dia de equinócio, o Sol fica bem a pino no equador. Os seus raios chegam ali quase na vertical e caem numa pequena área do chão. Mais ao norte ou mais ao sul, os mesmos raios chegam inclinados e se espalham por uma área maior: cada metro quadrado recebe menos da sua energia. Na latitude $60{}^{\circ}$, o mesmo feixe cobre o dobro do chão que cobre no equador, então cada metro quadrado recebe a metade.

Enquanto a Terra gira em volta do Sol, o seu eixo inclinado faz o Sol a pino se deslocar entre os dois trópicos, o que dá as estações (os livros de física); mas, o ano todo, as regiões perto do equador recebem muito mais energia que as que ficam perto dos polos. Esse aquecimento desigual é o principal motor dos ventos: a atmosfera leva o ar quente em direção aos polos e o ar frio em direção ao equador.

24.2 O ar que sobe e o ar que desce

O ar quente é mais leve que o ar frio: ele sobe, e o ar mais fresco em volta vem ocupar o seu lugar. Onde o ar sobe, ele faz menos pressão sobre o chão: a pressão ali é baixa. Onde o ar desce, ele faz mais pressão: a pressão é alta. No chão, o vento sopra da alta pressão para a baixa pressão. Subindo, esfriando, descendo e voltando, o ar gira num circuito.

Definição 24.1 (Célula de convecção)

Uma célula de convecção na atmosfera é um circuito de ar em movimento: o ar aquecido por baixo sobe, se espalha lá no alto, esfria e desce em outro lugar, e volta ao longo do chão até onde ele subiu. Embaixo do ar que sobe, a pressão é baixa; embaixo do ar que desce, ela é alta.

No laboratório — O ar quente sobe

Dentro de casa, recorte uma espiral numa folha de papel fino, como a casca de uma maçã, e pendure-a pelo centro num fio. Segure-a bem acima de um aquecedor quente, no inverno (nunca acima de uma chama ou de uma vela): ela começa a girar devagar. O ar aquecido pelo aquecedor sobe e empurra a espiral. Segure-a perto de uma janela fria: ela gira no outro sentido, ou não gira?

As menores células de convecção podem ser sentidas num dia de sol na praia. A terra e o mar recebem a mesma luz do Sol, mas os raios do Sol não penetram fundo no chão, enquanto o mar espalha o seu calor por uma camada espessa de água. Então a terra esquenta muito mais de dia, e esfria muito mais à noite.

Definição 24.2 (Brisa marítima e brisa terrestre)

Uma brisa marítima é um vento que sopra do mar para a terra de dia, quando a terra está mais quente que o mar. Uma brisa terrestre sopra da terra para o mar à noite, quando a terra ficou mais fria que o mar.

24.3 Os ventos globais

A mesma coisa acontece na escala da Terra inteira. Perto do equador, o ar fortemente aquecido sobe; ele se espalha lá no alto em direção aos polos e desce de novo perto de $30{}^{\circ}$ de latitude. Na média de muitos anos, a troposfera de cada hemisfério gira em três grandes células de convecção: uma do equador até cerca de $30{}^{\circ}$, uma de cerca de $30{}^{\circ}$ até cerca de $60{}^{\circ}$, e uma de cerca de $60{}^{\circ}$ até o polo. Os meteorologistas as chamam de células de Hadley, de Ferrel e polar. Os seus limites se deslocam com as estações, e a célula do meio é uma média aproximada de muitas tempestades que passam.

Os ventos que sopram no chão iriam diretamente da alta para a baixa pressão se a Terra não girasse. Como a Terra gira, o ar em movimento é desviado: para a direita no hemisfério norte, para a esquerda no hemisfério sul. Então o ar que volta para o equador não vem do norte, mas do nordeste no hemisfério norte e do sudeste no hemisfério sul.

Definição 24.3 (Os ventos globais)

Os ventos de superfície que sopram com mais frequência em cada faixa de latitude são:

• os alísios, entre o equador e cerca de $30{}^{\circ}$, que sopram do nordeste no hemisfério norte e do sudeste no hemisfério sul;
• os ventos de oeste, entre cerca de $30{}^{\circ}$ e $60{}^{\circ}$, que sopram do oeste (do sudoeste no hemisfério norte, do noroeste no hemisfério sul);
• os ventos polares de leste, entre cerca de $60{}^{\circ}$ e os polos, que sopram do leste.

Método 24.4 (Encontrar o vento global numa latitude)

1. Encontre a faixa: do equador até cerca de $30{}^{\circ}$, de $30{}^{\circ}$ até $60{}^{\circ}$, ou de $60{}^{\circ}$ até o polo.
2. Encontre para onde o ar corre no chão nessa faixa: em direção ao equador na primeira e na última faixa, em direção ao polo na do meio.
3. Desvie esse fluxo: para a direita no hemisfério norte, para a esquerda no hemisfério sul.
4. Diga de onde o vento vem: os ventos recebem o nome da direção de onde eles sopram.

Exemplo 24.5 (O vento a $40{}^{\circ}$ sul)

A $40{}^{\circ}$ S, estamos na faixa do meio, entre $30{}^{\circ}$ e $60{}^{\circ}$. Ali, o ar no chão corre em direção ao polo, ou seja, em direção ao sul. No hemisfério sul, ele é desviado para a esquerda: para um ar que vai para o sul, a esquerda é o leste, então o ar acaba se movendo para o sudeste. Ele vem, portanto, do noroeste: é um dos ventos de oeste, que sopra do noroeste.

Perto do equador, onde os alísios dos dois hemisférios se encontram, os ventos enfraquecem: os marinheiros chamavam essa faixa de calmarias equatoriais. O ar quente e úmido sobe ali, esfria e dá pancadas de chuva e trovoadas persistentes. Perto de $30{}^{\circ}$, embaixo do ar que desce, os ventos são fracos e a chuva é rara.

Definição 24.6 (Circulação geral da atmosfera)

A circulação geral da atmosfera é o movimento do ar em grande escala em volta do planeta, que aparece quando se faz a média dos ventos de muitos anos. Ela leva calor do equador em direção aos polos, e vapor de água de uma faixa de latitude para outra.

24.4 A circulação geral e as zonas climáticas

A circulação geral explica boa parte do mapa dos climas. Onde o ar sobe, perto do equador, ele esfria e o seu vapor de água se transforma em nuvens: a chuva é frequente, e crescem florestas tropicais úmidas. Onde o ar desce, perto de $30{}^{\circ}$ norte e sul, ele esquenta ao descer, as suas nuvens se desfazem, e a chuva é rara: os grandes desertos quentes, como o Saara, ficam nessas faixas. Nas latitudes médias, os ventos de oeste trazem uma tempestade atrás da outra, com chuva em todas as estações.

Exemplo 24.7 (Quatro cidades, quatro faixas)

As quatro cidades dos climogramas do Capítulo 11 ficam todas no hemisfério norte, em latitudes muito diferentes. A sua chuva e a sua neve de um ano seguem as faixas da circulação geral (gráfico abaixo). Hilo, a $20{}^{\circ}$ N, fica numa ilha na faixa dos alísios, no meio do oceano, onde os alísios recolhem vapor de água: cerca de $3000\,\mathrm{mm}$ caem ali num ano. Phoenix, a $33{}^{\circ}$ N, fica perto de $30{}^{\circ}$, embaixo do ar que desce: menos de $200\,\mathrm{mm}$. Seattle, a $47{}^{\circ}$ N, fica nos ventos de oeste, cujas tempestades trazem cerca de $1000\,\mathrm{mm}$ por ano, a maior parte do outono à primavera. Utqiaġvik, a $71{}^{\circ}$ N, fica embaixo do ar frio que desce perto do polo: menos de $150\,\mathrm{mm}$, um deserto frio.

Quatro cidades são só quatro pontos: as montanhas, os litorais e os mares frios ou quentes também mudam a quantidade de chuva que um lugar recebe. As faixas dão o desenho geral do mapa dos climas, e não a chuva de cada cidade.

24.5 Exercícios

Exercício 24.1 ★

Dê o nome do vento global que sopra com mais frequência: (a) a $15{}^{\circ}$ norte; (b) a $45{}^{\circ}$ sul; (c) a $75{}^{\circ}$ norte; (d) a $20{}^{\circ}$ sul. Dê a sua direção a cada vez.

Solução

Solução de Exercício 24.1.

(a) O alísio de nordeste, do nordeste. (b) Os ventos de oeste, do noroeste. (c) Os ventos polares de leste, do leste (do nordeste). (d) O alísio de sudeste, do sudeste.

Exercício 24.2 ★

Complete cada frase. (a) O ar quente … e o ar frio …. (b) Embaixo do ar que sobe, a pressão no chão é …. (c) No chão, o vento sopra da pressão … para a pressão …. (d) No hemisfério norte, a rotação da Terra desvia o ar em movimento para a ….

Solução

Solução de Exercício 24.2.

(a) O ar quente sobe e o ar frio desce. (b) Baixa. (c) Da alta pressão para a baixa pressão. (d) Para a direita.

Exercício 24.3 ★

Verdadeiro ou falso? Corrija as frases falsas. (a) Uma brisa marítima sopra da terra para o mar. (b) De dia, a terra esquenta mais depressa que o mar. (c) Os alísios sopram do oeste. (d) Muitos grandes desertos ficam perto de $30{}^{\circ}$ de latitude.

Solução

Solução de Exercício 24.3.

(a) Falso: uma brisa marítima sopra do mar para a terra (de dia). (b) Verdadeiro. (c) Falso: eles sopram do leste (do nordeste ou do sudeste). (d) Verdadeiro.

Exercício 24.4 ★

Desenhe um litoral com o mar à esquerda e a terra à direita. Acrescente o Sol, e depois desenhe com setas o circuito de ar da brisa marítima. Marque H e L onde a pressão no chão é alta e baixa.

Solução

Solução de Exercício 24.4.

O desenho mostra um circuito: ao longo do chão, uma seta do mar para a terra; sobre a terra, uma seta subindo; lá no alto, uma seta da terra de volta para cima do mar; sobre o mar, uma seta descendo. H fica marcado no chão embaixo do ar que desce (sobre o mar), L embaixo do ar que sobe (sobre a terra).

Exercício 24.5 ★★

Use a tabela dos feixes deste capítulo. (a) A $45{}^{\circ}$, quanto chão a mais um feixe cobre em comparação com o equador? (b) Que porcentagem da energia do equador cada metro quadrado recebe a $60{}^{\circ}$? (c) E a $75{}^{\circ}$? (d) Explique numa frase por que os polos são frios.

Solução

Solução de Exercício 24.5.

(a) 1.41 vez mais chão. (b) 50 %. (c) 26 %. (d) Perto dos polos, a luz do Sol chega inclinada e se espalha por uma área grande, então cada metro quadrado recebe pouca energia.

Exercício 24.6 ★★

Um barco navega bem para o sul através do hemisfério norte e depois do hemisfério sul. (a) Que ventos ele encontra, em ordem, de $70{}^{\circ}$ N até $70{}^{\circ}$ S? (b) Onde ele provavelmente vai encontrar ar calmo e pancadas de chuva frequentes? (c) Onde os ventos são fracos e a chuva é rara?

Solução

Solução de Exercício 24.6.

(a) Ventos polares de leste (de $70{}^{\circ}$ a $60{}^{\circ}$ N), ventos de oeste (de $60{}^{\circ}$ a $30{}^{\circ}$ N), alísios de nordeste (de $30{}^{\circ}$ N ao equador), alísios de sudeste (do equador a $30{}^{\circ}$ S), ventos de oeste (de $30{}^{\circ}$ a $60{}^{\circ}$ S), ventos polares de leste (de $60{}^{\circ}$ a $70{}^{\circ}$ S). (b) Perto do equador, nas calmarias equatoriais. (c) Perto de $30{}^{\circ}$ N e de $30{}^{\circ}$ S, embaixo do ar que desce.

Exercício 24.7 ★★

Numa praia, faz $31{}^{\circ}\mathrm{C}$ sobre a areia às 15 h e $22{}^{\circ}\mathrm{C}$ sobre o mar. Às 3 h, faz $17{}^{\circ}\mathrm{C}$ sobre a terra e $21{}^{\circ}\mathrm{C}$ sobre o mar. (a) O que está mais quente às 15 h? Para que lado sopra o vento? (b) E às 3 h? (c) Quantos graus a temperatura da terra muda entre os dois horários? E a do mar? (d) Explique a diferença.

Solução

Solução de Exercício 24.7.

(a) A terra ($31 > 22$): o vento sopra do mar para a terra, uma brisa marítima. (b) O mar ($21 > 17$): o vento sopra da terra para o mar, uma brisa terrestre. (c) A terra: $31 - 17 = 14$ graus; o mar: $22 - 21 = 1$ grau. (d) Os raios do Sol só aquecem uma camada fina de chão, que esquenta e esfria depressa; o mar espalha o seu calor por uma camada espessa de água, então a sua temperatura quase não muda entre o dia e a noite.

Exercício 24.8 ★★

O ar corre da faixa de alta pressão perto de $30{}^{\circ}$ N em direção ao equador. (a) Sem a rotação da Terra, de que direção ele sopraria? (b) Para que lado a rotação o desvia nesse hemisfério? (c) De que direção ele sopra então? (d) Responda às mesmas três perguntas para o ar que corre em direção ao equador a partir de $30{}^{\circ}$ S.

Solução

Solução de Exercício 24.8.

(a) Do norte. (b) Para a direita. (c) Do nordeste (é o alísio de nordeste). (d) Sem a rotação, ele sopraria do sul; a rotação o desvia para a esquerda; ele sopra do sudeste.

Exercício 24.9 ★★

Explique, passo a passo, por que chove tanto perto do equador: use as palavras aquecido, sobe, esfria, nuvens. Depois, explique por que há um deserto perto de $25{}^{\circ}$ N, no norte da África: use as palavras desce, alta pressão, árido.

Solução

Solução de Exercício 24.9.

Perto do equador, o chão e o mar são fortemente aquecidos pelo Sol; o ar quente e úmido sobe; enquanto sobe, ele esfria, e o seu vapor de água se transforma em nuvens, que dão pancadas de chuva e trovoadas. Perto de $25{}^{\circ}$ N, o ar que subiu no equador desce; embaixo dele, a pressão no chão é alta; o ar que desce esquenta, as suas nuvens se desfazem e a região continua árida: um deserto.

Exercício 24.10 ★★

Um veleiro sai de um porto a $40{}^{\circ}$ N, na costa oeste da Europa, para o Caribe, a $15{}^{\circ}$ N. (a) Que vento ele encontraria a $40{}^{\circ}$ N? Esse vento ajudaria o navio a navegar para o oeste? (b) Por que o navio deveria primeiro navegar para o sul? (c) Que vento o leva para o oeste, e entre que latitudes? (d) Para a viagem de volta à Europa, que vento o navio deveria procurar, e em que latitude?

Solução

Solução de Exercício 24.10.

(a) Os ventos de oeste. Não: eles sopram do oeste, contra um navio que navega para o oeste. (b) Para chegar à faixa dos alísios, ao sul de cerca de $30{}^{\circ}$ N. (c) O alísio de nordeste, entre o equador e cerca de $30{}^{\circ}$ N. (d) Os ventos de oeste, ao norte de cerca de $30{}^{\circ}$ N (perto de $40{}^{\circ}$ N, a latitude do porto de origem).

Exercício 24.11 ★★★

Na latitude $L$, um feixe de luz do Sol ao meio-dia de um equinócio cobre $1 \div \cos L$ vezes o chão que ele cobre no equador (numa calculadora, $\cos 60^\circ = 0.5$). (a) Verifique o valor para $60{}^{\circ}$. (b) Usando $\cos 30^\circ \approx 0.866$, verifique o valor para $30{}^{\circ}$, arredondado para duas casas decimais. (c) Suponha que um painel solar deitado recebe $1000\,\mathrm{W}$ em cada metro quadrado ao meio-dia no equador nesse dia. Aproximadamente quanto o mesmo painel receberia a $30{}^{\circ}$? E a $60{}^{\circ}$?

Solução

Solução de Exercício 24.11.

(a) $1 \div 0.5 = 2$: a tabela dá 2. (b) $1 \div 0.866 \approx 1.1547$, ou seja, 1.15. (c) A $30{}^{\circ}$: $1000 \div 1.15 \approx 870\,\mathrm{W}$ em cada metro quadrado (exatamente $1000 \times 0.866 = 866\,\mathrm{W}$). A $60{}^{\circ}$: $1000 \div 2 = 500\,\mathrm{W}$.

Exercício 24.12 ★★★

Em cada hemisfério, a circulação geral tem três células. (a) Desenhe uma vista de lado do hemisfério norte, com o equador embaixo e o polo em cima, e as três células como circuitos; mostre onde o ar sobe e onde ele desce. (b) Marque as faixas de alta e de baixa pressão no chão. (c) Acrescente os ventos de superfície de cada célula, desviados para a direita. (d) Use o seu desenho para explicar por que os ventos de oeste sopram em direção ao nordeste.

Solução

Solução de Exercício 24.12.

(a) Três circuitos: o ar sobe no equador e desce perto de $30{}^{\circ}$; sobe perto de $60{}^{\circ}$ e desce perto de $30{}^{\circ}$; sobe perto de $60{}^{\circ}$ e desce no polo. (b) L no equador e perto de $60{}^{\circ}$; H perto de $30{}^{\circ}$ e no polo. (c) De $30{}^{\circ}$ até o equador, o ar de superfície vai para o sul e é desviado para a direita: alísio de nordeste. De $30{}^{\circ}$ a $60{}^{\circ}$, ele vai para o norte e é desviado para a direita: ele vem do sudoeste. Do polo até $60{}^{\circ}$, ele vai para o sul, desviado para a direita: vento polar de leste. (d) Na célula do meio, o ar de superfície corre em direção ao polo, ou seja, para o norte; desviado para a direita, ele vai para o nordeste: são os ventos de oeste.

24.6 Problema: Navegar com os alísios

Problema 24.1

Problema de fim de semana — um veleiro atravessa o Atlântico de Cabo Verde a Barbados com o alísio de nordeste; a rota é medida no mapa, o vento é lido, e calcula-se a duração da travessia

Um veleiro sai de Praia, nas ilhas de Cabo Verde, para Bridgetown, em Barbados. O mapa mostra a rota e o alísio.

Parte I — A rota.

1. Praia fica a $14.9{}^{\circ}$ N, $23.5{}^{\circ}$ O; Bridgetown, a $13.1{}^{\circ}$ N, $59.6{}^{\circ}$ O. Quantos graus de longitude separam as duas?
2. Os dois portos ficam perto de $14{}^{\circ}$ N. Ao longo desse paralelo, um grau de longitude mede cerca de $108\,\mathrm{km}$. Quantos quilômetros tem a travessia, aproximadamente? Arredonde para a centena mais próxima.
3. Medida exatamente sobre a Terra redonda, a rota mais curta tem $3896\,\mathrm{km}$. A resposta da questão 2 é uma boa estimativa?
4. Os portos ficam na faixa dos alísios? Explique.

Parte II — O vento.

5. De que direção sopra o alísio aqui?
6. O navio navega para o oeste. O vento o empurra para a frente, para trás ou para o lado? Explique com o mapa.
7. Por que o alísio sopra na mesma direção quase todos os dias da travessia?
8. Na volta para a Europa, por que o capitão não deveria tentar navegar para o leste ao longo de $14{}^{\circ}$ N?

Parte III — A travessia.

9. Suponha que o navio faz em média $7\,\mathrm{km}$ por hora. Quantos quilômetros ele percorre num dia de 24 horas?
10. Se o vento parasse durante 3 dias no caminho, quantos quilômetros de progresso o navio perderia?
11. Com um alísio constante, de quantos dias o navio precisa para $3896\,\mathrm{km}$? Arredonde para uma casa decimal.
12. Arredondando para o dia inteiro mais próximo, quanto tempo dura a travessia? É mais ou menos que um mês?

Solução

Solução de Problema 24.1.

1. $59.6 - 23.5 = 36.1$ graus de longitude.

2. $36.1 \times 108 \approx 3899$: cerca de $3900\,\mathrm{km}$.

3. Sim: $3900 - 3896 = 4$ km, uma diferença minúscula.

4. Sim: os dois ficam perto de $14{}^{\circ}$ N, entre o equador e cerca de $30{}^{\circ}$ N, a faixa do alísio de nordeste.

5. Do nordeste (as setas apontam para o sudoeste).

6. Para a frente, e um pouco para o lado: o vento vem de trás do navio, um pouco da sua direita, e o empurra para o oeste.

7. Ele faz parte da circulação geral: o ar continua descendo perto de $30{}^{\circ}$ N e subindo perto do equador, então o ar de superfície continua correndo em direção ao equador, e a rotação da Terra sempre o desvia para a direita.

8. O alísio sopraria contra o navio. O capitão deveria navegar para o norte, além de cerca de $30{}^{\circ}$ N, para encontrar os ventos de oeste.

9. $7 \times 24 = 168\,\mathrm{km}$ por dia.

10. $3 \times 168 = 504\,\mathrm{km}$.

11. $3896 \div 168 \approx 23.2$ dias.

12. Cerca de 23 dias: menos de um mês.