Ilha de Calor e Campo Eletromagnético

Campo Eletromagnético: Radiações e Convecções

 Werner Heisenberg (2009:39) designou a radiação como “o campo de força eletromagnético, como uma forma particular da matéria; pois a matéria pode se transformar em radiação e radiação em matéria”. Os físicos começaram a investigar a estrutura dos átomos, mas se o elétron era tão leve, o componente positivo deveria ser bem pesado, assim a carga positiva ocupava a maior parte do volume do átomo.

Albert Einstein, em favor da sua teoria da relatividade, produziu o modelo do efeito fotoelétrico que usava o fóton como ‘partícula de luz’. A natureza dual da luz, às vezes partícula, às vezes onda: uma partícula está bem localizada no espaço e uma onda se dispersa no espaço.

A luz, descrita em termos de campo elétrons e magnéticos, ondulando através do espaço: os elétrons são ondas – “De Broglie imaginou o elétron como sendo uma onda estacionária ao redor do núcleo atômico” (Gleiser, 2006: 290). Shrödinger propôs uma equação conhecida como ‘função de onda’, expressão matemática que descrevia a onda associada ao próprio elétron.

Niels Bohr, ao descrever o elétron em suas órbitas, quando está numa órbita mais elevada, o elétron libera energia ao mover-se para uma órbita mais baixa, mais próxima do núcleo. A saltar para uma órbita mais elevada, o elétron tinha de absorver um fóton (com energia igual à diferença de energia entre as duas órbitas). Os fótons são radiação eletromagnética. Os átomos excitados emitem radiação eletromagnética (em estado estacionário) ou absorvem (em estados excitados).

Trata-se de compreender o elétron como onda eletromagnética e, portanto, os fótons radiação.  Para compreender o espectro eletromagnético é necessário descrever as radiações de ondas curtas (ROC) e longas (ROL).

A radiação solar (luz e calor) é a principal fonte de energia e a base da vida, vegetal e animal, na superfície terrestre, mas 30% é refletida imediatamente para o espaço, pelas nuvens, atmosfera e superfície. Araujo e Magnoli (2004) definem, pois, as ondas curtas – as de radiação solar: no espectro eletromagnético abrange a luz visível, o ultravioleta, os raios X e gama. O restante absorvido é dissipado sob a forma de ondas longas: abrange o infravermelho, as micro-ondas e as ondas de rádio e televisão.

O albedo planetário – percentual de ROC incidente no planeta que é refletida de volta para espaço exterior [...] – é resultado da variação e da cobertura e do tipo de nuvens, aerossóis e partículas suspensas no ar: a estabilidade do clima da Terra resulta do balanço entre o fluxo de ROC absorvido pelo planeta e o fluxo de ROL emitido para o espaço (Eli, 2008). O fluxo de ROL é absorvido pelo planeta por gases constituintes do efeito estufa, sem esse ‘efeito’, a temperatura média do planeta seria 18°C abaixo de zero e não 15°C aproximadamente, por isso que, com as tempestades as temperaturas abaixam e dissipam as nuvens, numa ilha de calor as convecções curto-circuitam o efeito estufa.

Se compreendêssemos uma precipitação, com cargas opostas numa nuvem, o cimo com carga positiva e a base com cargas negativas, onde a precipitação começa e é mais intensa. As radiações de ondas (elétrons e fótons) longas atingem a parte inferior das nuvens, que ascendem da superfície. Mas por que, na parte superior das nuvens, as ondas curtas solares em relação à carga negativa do cimo são capazes de barrar ou refletir essas radiações para o espaço, se possuem cargas elétricas diferentes? Cargas iguais se repelem, as da base e as das radiações de ondas longas?

 

Referência Bibliográfica:

ARAUJO, Regina e MAGNOLI, Demétrio. Projeto de Ensino de Geografia. São Paulo: Moderna, 2004.

VEIGA, José Eli de (org.). Aquecimento Global: Frias Contendas Científicas. São Paulo: Senac, 2008.

GLEISER, Marcelo. A Dança do Universo. São Paulo: Companhia das Letras, 2006.

HEISENBERG, Werner. A Ordenação da Realidade. Rio de Janeiro: Forense Universitária, 2009.

 

 

Ilhas de Calor

Relâmpagos e Tempestades: os Campos Eletromagnético e Gravitacional

Pretende-se analisar os relâmpagos e as tempestades através das convecções e das condensações, a partir de dois campos físicos, o eletromagnético e o gravitacional. Trata-se de uma análise destes campos de forças, em primeiro lugar, a força da gravidade é definida como ação exercida sobre determinado objeto de modo a mudar sua quantidade de movimento.  Em segundo lugar, as linhas de força estendem-se pelo espaço e podem descrever os efeitos de ‘ação à distância’, por isso, são dotadas de direção: a presença de uma carga perturba o espaço a sua volta de tal modo que outra carga posta, e sua vizinhança, sente o efeito de uma força elétrica.

Campo Gravitacional

A superfície terrestre é uma fonte de calor, exceto próximo aos polos. Para que a superfície da Terra não se aqueça e a atmosfera não se resfria é transferida energia excedente da superfície da Terra para a atmosfera a fim de que o déficit desta seja reposto – troca vertical de energia: [1] evaporação da água da superfície terrestre e condensação do vapor na atmosfera para liberar o calor latente; [2] condição de calor sensível da superfície terrestre para a atmosfera; [3] convecção – difusão turbulenta de calor da superfície terrestre na atmosfera (Ayoade, 2010).

Tendo atingido o nível de condensação, a nuvem formada é constituída de gotículas de água que pelas suas pequenas dimensões [...] permanecem em suspensão na atmosfera. Cada gotícula fica sujeita à Força Gravitacional ao empuxo e à ação das correntes ascendentes de ar. Enquanto predominam as forças ascendentes sobre a força gravitacional, as gotículas se elevam na atmosfera. Quando a componente gravitacional predomina, as gotículas descendem na atmosfera, dando origem à precipitação. A predominância da gravidade ocorre quando as gotículas crescem até uma dimensão suficiente para sobrepujar as correntes ascendentes (Tubelis apud Machado, 1984:198-9).

A relação entre o vapor d’água e a força gravitacional está ligada à pressão e ao peso das gotículas de água entre forças ascendentes e descendentes. A pressão atmosférica é a medida da força exercida pelo peso do ar contra uma área. Quanto maior a temperatura mais as moléculas se distanciam, menor se torna o seu peso. Quanto menor a temperatura, mais as moléculas se aproximam, então, maior o peso. Baixa e alta pressão, respectivamente. Para haver condensação, portanto, o peso é a força com que um corpo é atraído gravitacionalmente. A gravitação é atrativa, mas a força elétrica pode ser ou atrativa ou repulsiva – cargas elétricas com o mesmo sinal se repelem, cargas elétricas com sinais opostos se atraem: “o fato de que forças elétricas e gravitacionais tenham tantas propriedades semelhantes revela uma profunda simplicidade no modo a Natureza opera” (Gleiser, 2006: 222).

Campo Eletromagnético

A interação eletromagnética (força eletromagnética) ocorre quando corpos possuidores de cargas elétricas e/ou corpos magnetizados interagem. Os elétrons têm carga negativa enquanto que os prótons têm cargas positivas. Desta forma, quando dois ou mais prótons, elétrons ou uma mistura destas partículas são colocados próximos, sempre ocorre um processo de interação eletromagnética. A interação elétrica não ocorre apenas entre elétrons e prótons, mas também entre dois ou mais corpos quaisquer que possuam carga elétrica. Corpos possuidores do mesmo tipo de carga elétrica se repeliam, enquanto que cargas diferentes se atrairiam. Há somente um tipo de massa que existem dois tipos de carga elétrica – positiva e negativa – que se comportam de maneiras opostas:

E, de repente, a tempestade. Sua casa está sob o ataque de uma poderosa tempestade elétrica. Relâmpagos explodem a sua volta, pintando, por segundos apenas, as paredes de seu quarto de um pálido tom de azul. Trovões ensurdecedores sacodem sua cama [...] e seus nervos. [...] A eletricidade, claro, acaba. Em meio à escuridão, uma explosão de luz e som, seguida de um barulho de madeira quebrando, sacode seus ossos (Gleiser, 2006: 219).

Define-se um relâmpago como a manifestação luminosa que acompanha uma descarga brusca de eletricidade atmosférica. As gotas de chuva são desintegradas. As gotinhas menores são levadas para o cimo da nuvem enquanto as maiores permanecem nos níveis inferiores. Processos de separação conduzem à separação de cargas elétricas. Quando a separação do ar se desfaz, o resultado é um relâmpago, por vezes inteiramente dentro da nuvem e, outras vezes, dirigido da nuvem à terra”  Observa-se que os polos magnéticos iguais se repelem enquanto polos magnéticos diferentes se atraem; pressões elétricas numa condensação – processo pelo qual o vapor d’água contido no ar atmosférico – transformado em água líquido. Cargas elétricas se repelem entre as positivas no cimo das nuvens e as negativas em sua base: a origem de qualquer campo magnético é atribuída, as cargas elétricas em movimento. Portanto, o cimo de uma nuvem de trovoada acumula cargas positivas e a sua base contém cargas negativas.

As relações entre os campos de forças (eletromagnético e gravitacional) se apresenta sob as condições turbulentas nas nuvens e da seguinte maneira: no cimo a carga elétrica é positiva, as gotículas são menores e as condições de pressão são baixas e maior será a temperatura; na base da nuvem a carga elétrica é negativa, as gotículas são maiores e as condições de pressão são altas e menor será a temperatura.

Referências Bibliográficas:

AYOADE, J. O. Introdução à Climatologia para os Trópicos. Rio de Janeiro: Bertrand Brasil, 2010.

GLEISER, Marcelo. A Dança do Universo. São Paulo: Companhia das Letras, 2006.

Índices de Convecção e Ilha de Calor

Pressão e Convecção

Nas regiões mais frias, o ar é mais pesado, nas áreas quentes, é mais leve. Depende da maior ou menor pressão do ar sobre a superfície da Terra. Os ventos deslocam-se sempre das áreas de alta pressão (áreas frias) para as áreas de baixa pressão (áreas quentes). Com exceção da altitude e da temperatura, quanto maior a altitude, menor a temperatura, inversamente, nas maiores altitudes a pressão é menor, porque o ar é rarefeito, a pressão atmosférica é menor, embora a temperatura seja menor.

As zonas de alta pressão são chamadas anticiclonais, e as de baixa pressão, ciclonais. A ilha de calor facilita a ascensão do ar, formando uma zona de baixa pressão. A convecção profunda curto-circuita o efeito estufa, não permitindo que a temperatura da superfície do planeta atinja valores elevados.

Chuvas convectivas (de convecção) ocorrem quando o ar, em ascensão vertical, se resfria, se condensa e se precipita. Já as chuvas frontais ocorrem no litoral brasileiro consequente do encontro da massa polar atlântico (fria) com a massa tropical atlântica (quente), choque entre massas de ar com características diferentes.

Umidade

A umidade do ar é a quantidade de vapor d’água (gasoso) dispersa na atmosfera – um dado quantitativo. Todas as precipitações estão ligadas à umidade do ar. São dados variáveis no espaço e no tempo. Evaporação (rios, mares) e evapotranspiração (animal e vegetal) sendo essencial o calor para transformar o estado físico (líquido/gasoso) da água.

Medir umidade: Quantidade relativa do ar é medida em percentagem. Concentração máxima relativa do ar é de 100%, quando atingir esta concentração é o nível de saturação do ar. Depois de 100% (saturação) este vapor se transforma em água (algum fenômeno). A saturação varia com a temperatura, por que todos os corpos dilatam-se e contraem-se com altas e baixas temperaturas respectivamente. Se aumentar a temperatura o ar dilata, cabendo mais vapores por percentuais, aumentando a capacidade de saturação, ficando distante dos 100%. Ficando distante da umidade absoluta, quando aumentar a temperatura.

Quanto menor a temperatura menor a capacidade do ar de absorver o vapor (menos), mais perto da saturação (100%) e com umidade baixa chega mais perto da absoluta.

Quanto maior temperatura maior a capacidade do ar de absorver vapores, mais longe da saturação (100%) chegando mais longe da absoluta.

Média Climática Local e Microclima

Objetiva-se calcular a diferença do microclima de uma ilha de calor com a média climática local e dividir pela umidade relativa do ar, para deduzir uma unidade de temperatura capaz de nos fornecer um gradiente de pressão atmosférica. Esse cálculo pode nos ser útil para projeções e prevenções de catástrofes climáticas.

90%/30°-27° → 90%/3° → Ilha de calor = 30% (quente; área de pressão mais baixa, ciclonal).

95%/32°-25° → 95%/7° → Ilha de calor = 13% (frio; área de pressão mais alta, anticiclonal).

Identificar a diferença da intervenção antrópica na média climática e perceber a sua influência no percentual da umidade relativa do ar nos permite reconhecer se o homem amplia o percentual de temperatura em relação a umidade do ar nas ilhas de calor.

 

Como a diferença dessa temperatura equacionada pela umidade pode nos fornecer um dado novo sobre a temperatura que interfere nessa mesma umidade. E essa nova temperatura um dado sobre pressão que nos coloca frente a situação da ilha de calor num dado momento. A relação entre diferencial de temperatura e umidade do ar pode designar um novo Índice de Convecção da ilha de calor. Verificação da ‘máquina do tempo’, flecha do tempo (cronos) onde o passado, presente e futuro é marcada pela irreversibilidade e a entropia.

“No caso do clima, conhecemos o passado através das séries temporais, por exemplo, a sequência das temperaturas. Esta sequência apresenta enormes variações” (Prigogine, Ilya. O Nascimento do Tempo. Lisboa: 70, 1988).

 

Temperatura e Umidade: Ilha de Calor

A ilha de Calor produz um efeito estufa que causa uma convecção térmica que faz com que o ar aquecido pelo Sol suba e se resfria na alta atmosférica, tornar a descer, e o ciclo se repete ao infinito, no caso de Rayleigh-Bérnard. No entanto, a convecção profunda é composta nuvens que bombeiam calor latente para fora da camada limite planetária e liberam nos médio e alto da troposfera, onde o efeito estufa é fraco e o curto-circuito. Essas nuvens são produtos da umidade e da temperatura.