Índices De Instabilidade: O Que São E Para Que Servem?

De Cláudio Ferreira; Michelle Simões Reboita

Índices de Instabilidade: O que são e para que servem? é uma obra que apresenta de forma didática, ilustrada e fácil os processos termodinâmicos que contribuem para a formação de nuvens. Embora o público-alvo seja os discentes de Ciências Atmosféricas, essa obra também pode ser utilizada por estudantes de qualquer subárea da Geociências.

• Idioma: Português
• Editora: Clube de Autores
• Data de lançamento: 28 de ago. de 2020

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ÍNDICES DE INSTABILIDADE: O QUE SÃO E PARA QUE SERVEM?

1 Conceito de Estabilidade

1.1 Conceito Físico de Estabilidade

Um sistema em um estado de equilíbrio permanece nesse estado se não houver perturbações pela ação de forças ou momentos, ou seja:

 Forças

= 0



(1)

Momento

= 0

A estabilidade de um estado de equilíbrio pode ser estática ou dinâmica. Neste trabalho, o foco é a estabilidade estática, entretanto, caso o leitor tenha interesse em estabilidade dinâmica, pode consultar Holton (2004), Zdunkoswky (2003) e Salby (1996).

A estabilidade estática na física é definida como a tendência de um corpo voltar a sua posição de equilíbrio após qualquer distúrbio sofrido, ou seja, se após uma perturbação sofrida existirem forças e momentos que tendem a trazer o corpo de volta a sua posição inicial (Hewitt 2015, Halliday 2012a,b).

A estabilidade estática se divide em três tipos (Figura 1):

- equilíbrio estável: um estado de equilíbrio é estável se o sistema voltar ao estado de equilíbrio após ter sido afastado dele;

- equilíbrio instável: um estado de equilíbrio é instável se o sistema continuar a se afastar do estado de equilíbrio após o afastamento inicial;

- equilíbrio neutro ou indiferente: um estado de equilíbrio é neutro ou indiferente se após um afastamento inicial, o sistema não tende nem a retornar ao equilíbrio nem a se afastar dele.

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A Figura 1 mostra os três tipos de estabilidade estática apresentados, usando uma bola como exemplo de sistema. A bola após sofrer um distúrbio pode (a) ter a tendência natural de retornar a sua posição de equilíbrio, indicando uma condição de estabilidade estática (Figura 1a); (b) ter a tendência de se afastar cada vez mais de sua posição de equilíbrio, indicando uma condição de instabilidade estática (Figura 1b) e (c) atingir uma nova posição de equilíbrio e ali permanecer indicando um sistema neutro estaticamente (Figura 1c).

Figura 1 Tipos de estabilidade estática (adaptado de http://www.autoentusiastasclassic.com.br/2014/01/a-inteligencia-das-maquinas-terceira.html).

1.2 Utilizando o Conceito de Estabilidade 1.2.1 Teoria da Parcela

A estabilidade estática descreve o movimento de uma parcela de ar deslocada na vertical (Vasquez 2017). Portanto, o estudo da estabilidade estática envolve o conceito de parcela de ar.

Uma parcela de ar é um corpo imaginário de ar (que pode ser pensado como um balão) ao qual podem ser atribuídas as propriedades dinâmicas e termodinâmicas básicas do ar atmosférico e apresenta as seguintes características (Grimm 1999):

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– é grande o suficiente para conter um número elevado de moléculas, mas pequena o suficiente para que as propriedades atribuídas a ela sejam aproximadamente uniformes dentro dela e para que seus movimentos com relação à atmosfera circundante não induzirão movimentos compensatórios;

– suas paredes são sólidas para que o ar interno não se misture com o ar externo, é um sistema fechado (não troca massa com o ambiente);

– é termicamente isolada do ambiente de modo que sua temperatura muda adiabaticamente quando sobem ou descem na atmosfera;

– tem a mesma pressão do ar ambiente no mesmo nível, que é suposto em equilíbrio hidrostático (o fato do ambiente encontrar-se em equilíbrio hidrostático não implica que a parcela de ar esteja também nesta situação);

– move-se com lentidão suficiente para que sua energia cinética seja uma fração pequena da energia total.

Os deslocamentos verticais das massas de ar são explicados usando o método da parcela (as características da parcela já foram descritas acima) em que a temperatura da parcela de ar (Tparcela) é comparada com a do ambiente (Tar). Com o uso da teoria da parcela, o ar que sofreu deslocamento vertical (no caso, a parcela de ar) pode ser estável, instável, neutro ou condicionalmente instável. Essas categorias de estabilidade estática são definidas em detalhes na seção 1.2.2.

Aplicando os conceitos descritos na seção 1.1, para uma parcela de ar têm-se as situações apresentadas na Figura 2. Se a Tparcela que sofreu deslocamento vertical for maior que a Tar circundante na camada para qual ela se deslocou, a parcela ascende e ocorrerá instabilidade. Se a Tparcela for menor que a Tar circundante, a parcela afundará, porque é mais pesada (densa) que

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o ar circundante e as condições estáveis persistirão. Se a Tparcela que sofreu movimento vertical for igual a Tar circundante da camada para qual se deslocou, a parcela permanecerá nessa camada da atmosfera até as condições variarem, essa situação é chamada de neutralidade.

Figura 2 Tipos de estabilidade estática atmosférica (adaptado