cisalhamento do vento -Wind shear

Plumas de cristal de gelo Cirrus uncinus mostrando cisalhamento de vento de alto nível, com mudanças na velocidade e direção do vento

O cisalhamento do vento (ou windshear ), às vezes referido como gradiente do vento , é uma diferença na velocidade e/ou direção do vento em uma distância relativamente curta na atmosfera . O cisalhamento do vento atmosférico é normalmente descrito como cisalhamento do vento vertical ou horizontal. O cisalhamento vertical do vento é uma mudança na velocidade ou direção do vento com uma mudança na altitude. O cisalhamento horizontal do vento é uma mudança na velocidade do vento com uma mudança na posição lateral para uma determinada altitude.

O cisalhamento do vento é um fenômeno meteorológico de microescala que ocorre em uma distância muito pequena, mas pode ser associado a características climáticas de mesoescala ou escala sinótica, como linhas de instabilidade e frentes frias. É comumente observado perto de microbursts e downbursts causados ​​por tempestades , frentes, áreas de ventos de baixo nível localmente mais altos referidos como jatos de baixo nível, perto de montanhas , inversões de radiação que ocorrem devido a céu claro e ventos calmos, edifícios, turbinas eólicas, e veleiros. O cisalhamento do vento tem efeitos significativos no controle de uma aeronave e tem sido a única ou uma das causas de muitos acidentes aéreos.

O movimento do som através da atmosfera é afetado pelo cisalhamento do vento, que pode dobrar a frente da onda, fazendo com que os sons sejam ouvidos onde normalmente não seriam, ou vice-versa. O forte cisalhamento vertical do vento dentro da troposfera também inibe o desenvolvimento de ciclones tropicais , mas ajuda a organizar tempestades individuais em ciclos de vida mais longos, que podem então produzir clima severo . O conceito de vento térmico explica como as diferenças na velocidade do vento em diferentes alturas dependem das diferenças horizontais de temperatura e explica a existência da corrente de jato .

Ventos descendentes com virga associados permitem que essas nuvens no céu oriental no crepúsculo civil imitem a aurora boreal no deserto de Mojave .

Definição

O cisalhamento do vento refere-se à variação da velocidade do vento em distâncias horizontais ou verticais. Os pilotos de avião geralmente consideram o cisalhamento do vento significativo como sendo uma mudança horizontal na velocidade no ar de 30 nós (15 m/s) para aeronaves leves e cerca de 45 nós (23 m/s) para aviões em altitude de vôo. Mudanças de velocidade vertical superiores a 4,9 nós (2,5 m/s) também se qualificam como cisalhamento de vento significativo para aeronaves. O cisalhamento do vento de baixo nível pode afetar a velocidade da aeronave durante a decolagem e o pouso de maneiras desastrosas, e os pilotos de aviões são treinados para evitar todos os cisalhamentos do vento microburst (perda de vento frontal superior a 30 nós [15 m/s]). A justificativa para esse cuidado adicional inclui:

  • a intensidade do microburst pode dobrar em um minuto ou menos,
  • os ventos podem mudar para ventos cruzados excessivos,
  • 40–50 nós (21–26 m/s) é o limite para capacidade de sobrevivência em alguns estágios de operações de baixa altitude, e
  • vários dos acidentes históricos de cisalhamento do vento envolveram microexplosões de 35–45 nós (18–23 m/s).

O cisalhamento do vento também é um fator chave na formação de tempestades severas. O risco adicional de turbulência é frequentemente associado ao cisalhamento do vento.

Ocorrência

Esquema Microburst da NASA. A direção da viagem é para baixo até que a corrente de ar atinja o nível do solo, ponto em que ela se espalha em todas as direções. O regime de vento em um microburst é completamente oposto a um tornado.

As situações climáticas em que o cisalhamento é observado incluem:

  • Frentes meteorológicas . Cisalhamento significativo é observado quando a diferença de temperatura na frente é de 5 °C (9 °F) ou mais, e a frente se move a 30 nós (15 m/s) ou mais rápido. Como as frentes são fenômenos tridimensionais, o cisalhamento frontal pode ser observado em qualquer altitude entre a superfície e a tropopausa e, portanto, pode ser visto tanto horizontal quanto verticalmente. O cisalhamento vertical do vento acima das frentes quentes é mais uma preocupação da aviação do que perto e atrás das frentes frias devido à sua maior duração.
  • Jatos de nível superior. Associado às correntes de jato de nível superior está um fenômeno conhecido como turbulência de ar claro (CAT), causado por cisalhamento vertical e horizontal do vento conectado ao gradiente de vento na borda das correntes de jato. O CAT é mais forte no lado de cisalhamento anticiclônico do jato, geralmente próximo ou logo abaixo do eixo do jato.
  • Jatos de baixo nível. Quando um jato noturno de baixo nível se forma durante a noite acima da superfície da Terra à frente de uma frente fria, um cisalhamento de vento vertical significativo de baixo nível pode se desenvolver perto da parte inferior do jato de baixo nível. Isso também é conhecido como cisalhamento do vento não convectivo, pois não é devido a tempestades próximas.
  • Montanhas.
  • Inversões . Quando em uma noite clara e calma, uma inversão de radiação é formada perto do solo, o atrito não afeta o vento acima do topo da camada de inversão. A mudança no vento pode ser de 90 graus na direção e 40 nós (21 m/s) na velocidade. Mesmo um jato noturno (durante a noite) de baixo nível às vezes pode ser observado. Tende a ser mais forte perto do nascer do sol. Diferenças de densidade causam problemas adicionais à aviação.
  • Downbursts . Quando um limite de saída se forma devido a uma camada rasa de ar resfriado pela chuva que se espalha perto do nível do solo a partir da tempestade principal, tanto a velocidade quanto o cisalhamento direcional do vento podem resultar na borda principal do limite tridimensional. Quanto mais forte for o limite de saída , mais forte será o cisalhamento vertical do vento resultante.

Componente horizontal

frentes meteorológicas

Frentes meteorológicas são limites entre duas massas de ar de diferentes densidades , ou diferentes propriedades de temperatura e umidade, que normalmente são zonas de convergência no campo de vento e são a principal causa de clima significativo. Nas análises meteorológicas de superfície, eles são representados usando várias linhas e símbolos coloridos. As massas de ar geralmente diferem em temperatura e também podem diferir em umidade . O cisalhamento do vento na horizontal ocorre próximo a esses limites. As frentes frias apresentam faixas estreitas de tempestades e tempo severo e podem ser precedidas por linhas de instabilidade e linhas secas . Frentes frias são limites de superfície mais nítidos com cisalhamento de vento horizontal mais significativo do que frentes quentes. Quando uma frente se torna estacionária , ela pode degenerar em uma linha que separa regiões de diferentes velocidades do vento, conhecida como linha de cisalhamento , embora a direção do vento na frente normalmente permaneça constante. Nos trópicos , as ondas tropicais se movem de leste a oeste através das bacias do Atlântico e do Pacífico oriental . O cisalhamento direcional e de velocidade pode ocorrer ao longo do eixo das ondas tropicais mais fortes, pois os ventos do norte precedem o eixo da onda e os ventos do sudeste são vistos atrás do eixo da onda. O cisalhamento horizontal do vento também pode ocorrer ao longo dos limites locais da brisa terrestre e da brisa marítima .

Costas próximas

Cisalhamento do vento ao longo da costa com nuvens baixas movendo-se para leste e nuvens altas movendo-se para sudoeste

A magnitude dos ventos offshore é quase o dobro da velocidade do vento observada em terra. Isso é atribuído às diferenças de fricção entre as massas de terra e as águas costeiras. Às vezes, existem até diferenças direcionais, principalmente se as brisas marítimas locais alterarem o vento na costa durante o dia.

componente vertical

Vento térmico

Vento térmico é um termo meteorológico que não se refere a um vento real , mas a uma diferença no vento geostrófico entre dois níveis de pressão p 1 e p 0 , com p 1 < p 0 ; em essência, cisalhamento do vento. Está presente apenas em uma atmosfera com mudanças horizontais de temperatura (ou em um oceano com gradientes horizontais de densidade ), ou seja, baroclinicidade . Em uma atmosfera barotrópica , onde a temperatura é uniforme, o vento geostrófico é independente da altura. O nome deriva do fato de que esse vento flui em torno de áreas de baixa (e alta) temperatura da mesma maneira que o vento geostrófico flui em torno de áreas de baixa (e alta ) pressão .

A equação do vento térmico é

onde os φ são campos de altura geopotencial com φ 1 > φ 0 , f é o parâmetro de Coriolis , e k é o vetor unitário apontando para cima na direção vertical . A equação do vento térmico não determina o vento nos trópicos . Como f é pequeno ou zero, como perto do equador, a equação se reduz a afirmar que ∇( φ 1φ 0 ) é pequeno.

Esta equação basicamente descreve a existência do jet stream, uma corrente de ar de oeste com ventos máximos próximo à tropopausa que é (embora outros fatores também sejam importantes) o resultado do contraste de temperatura entre o equador e o pólo.

Efeitos sobre ciclones tropicais

O forte cisalhamento do vento na alta troposfera forma o topo em forma de bigorna desta nuvem cumulonimbus madura , ou tempestade.

Os ciclones tropicais são, em essência, motores térmicos alimentados pelo gradiente de temperatura entre a superfície quente do oceano tropical e a atmosfera superior mais fria. O desenvolvimento de ciclones tropicais requer valores relativamente baixos de cisalhamento vertical do vento para que seu núcleo quente possa permanecer acima de seu centro de circulação de superfície, promovendo assim a intensificação. O cisalhamento vertical do vento rasga o "maquinário" do motor térmico, causando sua quebra. Os ciclones tropicais fortemente cisalhados enfraquecem à medida que a circulação superior é soprada para longe do centro de baixo nível.

Efeitos sobre tempestades e mau tempo

Tempestades severas, que podem gerar tornados e tempestades de granizo, requerem cisalhamento do vento para organizar a tempestade de forma a mantê-la por um período mais longo. Isso ocorre quando o fluxo de entrada da tempestade se separa do fluxo de saída resfriado pela chuva. Um jato noturno crescente, ou noturno, de baixo nível pode aumentar o potencial de clima severo, aumentando o cisalhamento vertical do vento através da troposfera. Tempestades em uma atmosfera com virtualmente nenhum cisalhamento vertical do vento enfraquecem assim que enviam um limite de fluxo de saída em todas as direções, o que rapidamente corta seu influxo de ar relativamente quente e úmido e faz com que a tempestade se dissipe.

Camada limite planetária

Representação de onde a camada limite planetária se encontra em um dia ensolarado

O efeito atmosférico da fricção da superfície com os ventos no alto força os ventos da superfície a desacelerar e retroceder no sentido anti-horário perto da superfície da Terra , soprando para dentro através de isóbaras (linhas de igual pressão) quando comparados aos ventos em fluxo sem atrito bem acima da superfície da Terra. Essa camada onde o atrito diminui e muda o vento é conhecida como camada limite planetária , às vezes a camada de Ekman , e é mais espessa durante o dia e mais fina à noite. O aquecimento diurno engrossa a camada limite à medida que os ventos na superfície se misturam cada vez mais com os ventos no alto devido à insolação ou aquecimento solar. O resfriamento radiativo durante a noite aumenta ainda mais o desacoplamento do vento entre os ventos na superfície e os ventos acima da camada limite, acalmando o vento na superfície, o que aumenta o cisalhamento do vento. Essas mudanças de vento forçam o cisalhamento do vento entre a camada limite e o vento no alto e são mais enfatizadas à noite.

Efeitos no voo

planando
Lançamento de planador afetado por cisalhamento do vento

No vôo livre, gradientes de vento logo acima da superfície afetam as fases de decolagem e pouso do vôo de um planador . O gradiente do vento pode ter um efeito perceptível em lançamentos no solo , também conhecidos como lançamentos de guincho ou lançamentos de fio. Se o gradiente de vento for significativo ou repentino, ou ambos, e o piloto mantiver a mesma atitude de arfagem, a velocidade no ar indicada aumentará, possivelmente excedendo a velocidade máxima de reboque de lançamento no solo. O piloto deve ajustar a velocidade no ar para lidar com o efeito do gradiente.

Ao pousar, o cisalhamento do vento também é um perigo, principalmente quando os ventos são fortes. À medida que o planador desce pelo gradiente do vento na aproximação final para o pouso, a velocidade no ar diminui enquanto a taxa de afundamento aumenta e não há tempo suficiente para acelerar antes do contato com o solo. O piloto deve antecipar o gradiente do vento e usar uma velocidade de aproximação maior para compensá-lo.

O cisalhamento do vento também é um perigo para aeronaves que fazem curvas fechadas perto do solo. É um problema particular para planadores que têm uma envergadura relativamente longa , o que os expõe a uma maior diferença de velocidade do vento para um determinado ângulo de inclinação . A velocidade diferente experimentada por cada ponta de asa pode resultar em um estol aerodinâmico em uma asa, causando um acidente de perda de controle.

Paraquedismo

O cisalhamento do vento ou gradientes de vento são uma ameaça para os pára-quedistas, particularmente para BASE jumping e vôo de wingsuit . Os paraquedistas foram desviados de seu curso por mudanças repentinas na direção e velocidade do vento e colidiram com pontes, penhascos, árvores, outros paraquedistas, o solo e outros obstáculos. Os paraquedistas rotineiramente fazem ajustes na posição de seus velames abertos para compensar as mudanças de direção enquanto fazem pousos para evitar acidentes como colisões e inversões de velames.

subindo

O voo relacionado ao cisalhamento do vento, também chamado de voo dinâmico , é uma técnica usada por pássaros voadores como albatrozes , que podem manter o vôo sem bater as asas. Se o cisalhamento do vento for de magnitude suficiente, um pássaro pode subir no gradiente do vento, trocando a velocidade do solo pela altura, enquanto mantém a velocidade no ar. Ao virar a favor do vento e mergulhar no gradiente do vento, eles também podem ganhar energia. Também tem sido usado por pilotos de planadores em raras ocasiões.

O cisalhamento do vento também pode produzir ondas . Isso ocorre quando uma inversão atmosférica separa duas camadas com uma diferença marcante na direção do vento. Se o vento encontrar distorções na camada de inversão causadas por térmicas vindas de baixo, produzirá ondas de cisalhamento significativas que podem ser usadas para planar.

Impacto em aeronaves de passageiros
Efeito do cisalhamento do vento na trajetória da aeronave. Observe como a simples correção da frente de rajada inicial pode ter consequências terríveis.
Destroços da seção da cauda do voo 191 da Delta Air Lines depois que uma microexplosão jogou a aeronave no chão. Outra aeronave pode ser vista voando ao fundo, passando pela cena do acidente.

Windshear pode ser extremamente perigoso para aeronaves, especialmente durante a decolagem e pouso. Mudanças repentinas na velocidade do vento podem causar reduções rápidas na velocidade no ar , levando a aeronave a ser incapaz de manter a altitude. Windshear foi responsável por vários acidentes mortais, incluindo o voo 66 da Eastern Air Lines , o voo 759 da Pan Am , o voo 191 da Delta Air Lines e o voo 1016 da USAir .

Windshear pode ser detectado usando radar Doppler. Os aeroportos podem ser equipados com sistemas de alerta de cisalhamento do vento de baixo nível ou radar meteorológico Doppler terminal , e as aeronaves podem ser equipadas com sistemas de alerta e detecção de cisalhamento do vento no ar . Após a queda do vôo 191 da Delta Air Lines em 1985, em 1988 a Administração Federal de Aviação dos EUA determinou que todas as aeronaves comerciais tivessem sistemas de detecção e alerta de cisalhamento do vento em 1993. A instalação de estações de radar meteorológico Terminal Doppler de alta resolução em muitos aeroportos dos EUA que são comumente afetados por windshear ajudou ainda mais a capacidade dos pilotos e controladores de solo para evitar condições de windshear.

Navegação

O cisalhamento do vento afeta os veleiros em movimento, apresentando uma velocidade e direção do vento diferentes em diferentes alturas ao longo do mastro . O efeito do cisalhamento do vento de baixo nível pode ser levado em consideração na seleção da torção da vela no projeto da vela, mas isso pode ser difícil de prever, pois o cisalhamento do vento pode variar amplamente em diferentes condições climáticas. Os marinheiros também podem ajustar o caimento da vela para levar em consideração o cisalhamento do vento de baixo nível, por exemplo, usando um boom vang .

Propagação do som

O cisalhamento do vento pode ter um efeito pronunciado sobre a propagação do som na baixa atmosfera, onde as ondas podem ser "curvadas" pelo fenômeno de refração . A audibilidade de sons de fontes distantes, como trovões ou tiros , é muito dependente da quantidade de cisalhamento. O resultado desses diferentes níveis sonoros é fundamental nas considerações de poluição sonora , por exemplo, do ruído da estrada e do ruído das aeronaves , e deve ser considerado no projeto de barreiras acústicas . Este fenômeno foi aplicado pela primeira vez ao campo de estudo da poluição sonora na década de 1960, contribuindo para o projeto de rodovias urbanas, bem como barreiras acústicas .

Gráfico Hodograph de vetores de vento em várias alturas na troposfera. Os meteorologistas podem usar esse gráfico para avaliar o cisalhamento vertical do vento na previsão do tempo. (Fonte: NOAA )

A velocidade do som varia com a temperatura. Como a temperatura e a velocidade do som normalmente diminuem com o aumento da altitude, o som é refratado para cima, longe dos ouvintes no solo, produzindo uma sombra acústica a alguma distância da fonte. Em 1862, durante a Batalha de Iuka na Guerra Civil Americana , uma sombra acústica, que se acredita ter sido intensificada por um vento nordeste, manteve duas divisões de soldados da União fora da batalha, porque eles não podiam ouvir os sons da batalha a apenas seis milhas a favor do vento. .

Efeitos na arquitetura

A engenharia eólica é um campo da engenharia dedicado à análise dos efeitos do vento no ambiente natural e construído . Inclui ventos fortes que podem causar desconforto, bem como ventos extremos, como tornados , furacões e tempestades, que podem causar destruição generalizada. A engenharia eólica baseia-se em meteorologia , aerodinâmica e várias disciplinas de engenharia especializadas. As ferramentas utilizadas incluem modelos climáticos, túneis de vento da camada limite atmosférica e modelos numéricos. Envolve, entre outros tópicos, como os edifícios impactados pelo vento devem ser contabilizados na engenharia.

As turbinas eólicas são afetadas pelo cisalhamento do vento. Perfis verticais de velocidade do vento resultam em diferentes velocidades do vento nas pás mais próximas ao nível do solo em comparação com aquelas no topo do curso das pás, e isso, por sua vez, afeta a operação da turbina. Esse cisalhamento do vento de baixo nível pode causar um grande momento de flexão no eixo de uma turbina de duas pás quando as pás estão na vertical. O cisalhamento reduzido do vento sobre a água significa que torres de turbinas eólicas mais curtas e menos caras podem ser usadas em mares rasos.

Veja também

Referências

links externos