Inversão térmica: causas e efeitos

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Inversão térmica o que é? Vamos lá, primeiramente, você já viu a fumaça e poeira ficar sobre uma cidade? Bem, isso geralmente é causado por uma inversão de temperatura ou inversão térmica e é um desvio do fenômeno meteorológico típico. A regra padrão da meteorologia é que o ar fica mais frio com o aumento da altitude. Mas as inversões térmicas mudam isso, ou seja ao subir encontra-se uma região mais quente ao invés de esfriar.

Como resultado, você verá fenômenos climáticos como nevoeiro, poluição, neblina e horizontes nebulosos. Geralmente, fenômenos que são mais comuns em regiões montanhosas ou vales; ou durante o inverno, quando uma brisa fria noturna das montanhas atinge o solo.

Entretanto as camadas de inversão térmicas ou apenas camadas de inversão podem ocorrer em qualquer lugar, desde próximo ao nível do solo até milhares de quilômetros na atmosfera. São fenômenos importantes para a meteorologia porque bloqueiam o fluxo atmosférico, o que faz com que o ar sobre uma área que experimenta uma inversão se torne estável. Isso pode resultar em vários tipos de padrões climáticos.

Mais importante, porém, áreas com poluição pesada são propensas ao ar insalubre e um aumento na poluição atmosférica quando uma inversão está presente, porque eles retêm os poluentes no nível do solo em vez de distribuí-los.

Por que ocorre a inversão térmica?

Para descrever o que é inversão térmica e por que ela é produzida, primeiro é necessário entender funcionamento normal da atmosfera e o que é a atmosfera.

Atmosfera: o que é?

A atmosfera é uma camada de gases e material particulado (aerossóis) que envolve a Terra. Essa camada é essencial para a vida e o funcionamento dos processos físicos e biológicos sobre a Terra. A atmosfera protege os organismos da exposição a níveis arriscados de radiação ultravioleta, contém os gases necessários para os processos vitais de respiração celular e fotossíntese e fornece a água necessária para a vida.

Sabemos que o ar é compressível, isto é, seu volume e sua densidade são variáveis. A força da gravidade comprime a atmosfera de modo que a máxima densidade do ar (massa por unidade de volume) ocorre na superfície da Terra. O decréscimo da densidade do ar com a altura é bastante rápido (decréscimo exponencial) de modo que na altitude de ~5,6 km a densidade já é a metade da densidade ao nível do mar e em ~16 km já é de apenas 10% deste valor e em ~32 km apenas 1%.

O rápido decréscimo da densidade do ar significa também um rápido declínio da pressão do ar com a altitude. A pressão da atmosfera numa determinada altitude é simplesmente o peso da coluna de ar com área de seção reta unitária, situada acima daquela altitude. Não é possível determinar onde termina a atmosfera, pois os gases se difundem gradualmente no vazio do espaço.

Camadas da Atmosfera

A camada inferior, onde a temperatura decresce com a altitude, é a troposfera, que se estende a uma altitude média de 12 km (~ 20 km no equador e ~ 8 km nos pólos). A troposfera é o principal domínio de estudo dos meteorologistas, pois é nesta camada que ocorrem essencialmente todos os fenômenos que em conjunto caracterizam o tempo.

A camada seguinte, a estratosfera, se estende até ~50 km. Inicialmente, por uns 20 km, a temperatura permanece quase constante e depois cresce até o topo da estratosfera, a estratopausa. Temperaturas mais altas ocorrem na estratosfera porque é nesta camada que o ozônio está concentrado.

Na mesosfera a temperatura novamente decresce com a altura, até a mesopausa, que está em torno de 80 km, onde atinge ~ -90°C. Acima da mesopausa, e sem limite superior definido, está a termosfera, onde a temperatura é inicialmente isotérmica e depois cresce rapidamente com a altitude, como resultado da absorção de ondas muito curtas da radiação solar.

Entre as altitudes de 80 a 900 km (na termosfera) há uma camada com concentração relativamente alta de íons, a ionosfera. Nesta camada a radiação solar de alta energia de ondas curtas (raios X e radiação ultravioleta). 

Fato interessante é que a ionosfera tem grande influência sobre a transmissão de ondas de rádio na banda AM e é nela que ocorre o fenômeno da aurora boreal (no Hemisfério Norte) ou austral (no Hemisfério Sul). As auroras estão relacionadas com o vento solar, um fluxo de partículas carregadas, prótons e elétrons, emanadas do sol com alta energia. 

Por conveniência de estudo a atmosfera é usualmente subdividida em camadas concêntricas, de acordo com o perfil vertical médio de temperatura.

A agora que já sabemos tudo da Atmosfera vamos voltar para a inversão térmica.

Definição da inversão térmica

As inversões de temperatura ocorrem quando uma camada de ar quente retém o ar frio perto da superfície da Terra. Isso é o inverso do que normalmente acontece (a temperatura do ar diminui a uma taxa de aproximadamente 6,5°C para cada quilômetro).

Na maioria das vezes, por exemplo, a superfície da Terra é quente durante o dia e o ar fica mais frio quanto mais alto você sobe. Dessa maneira, quando este ciclo normal está presente, é considerada uma massa de ar instável, e o ar flui constantemente entre as áreas quentes e frias. Assim o ar é mais capaz de misturar e espalhar poluentes.

Durante um episódio de inversão, as temperaturas aumentam com o aumento da altitude. A camada de inversão quente atua então como uma tampa e interrompe a mistura atmosférica. É por isso que as camadas de inversão são chamadas de massas de ar estáveis.

As inversões de temperatura são resultado de outras condições climáticas em uma área. Eles ocorrem com mais frequência quando uma massa de ar quente e menos densa se move sobre uma massa de ar fria e densa. Isso pode acontecer, por exemplo, quando o ar próximo ao solo perde calor rapidamente em uma noite clara. O solo esfria rapidamente, enquanto o ar acima dele retém o calor que o solo estava retendo durante o dia. Inversões térmicas também ocorrem em algumas áreas costeiras porque a ressurgência de águas frias pode diminuir a temperatura do ar na superfície e a massa de ar fria fica sob as mais quentes. A topografia também pode desempenhar um papel na criação de uma inversão de temperatura.

Tipos de Inversão térmica

Existem 4 tipos de inversões de temperatura para conhecer:

  • Terra ou Inversão de Radiação: A temperatura se inverte quando o ar próximo ao solo é resfriado mais rapidamente do que a camada de ar acima dele.
  • Turbulência ou Advecção Vertical: Acontece quando o ar estagnado cobre o ar turbulento. A camada turbulenta transporta o calor para baixo, resfriando sua camada superior (mistura vertical). Mas a camada de ar estático não é misturada e, portanto, é mais quente do que abaixo.
  • Inversão de Subsidência: Quando uma camada significativa de ar desce devido à alta pressão, ela se aquece rapidamente e o ar em altitudes mais baixas permanece mais frio.
  • Inversão Frontal: Quando as correntes de ar quente (frente quente) e frio (frente fria) se encontram, o ar frio eleva o ar quente devido às diferenças de densidade.

Efeitos e conseguências da Inversão térmica

Algumas das consequências mais significativas das inversões térmicas são as condições climáticas extremas que às vezes podem criar. A inversão de temperatura é um importante contribuinte para a formação de nuvens, neblina, poluição atmosférica, falta de precipitação e interrupção da visibilidade. Veja como as inversões de temperatura afetam nosso ambiente:

  • Visibilidade: o ar mais frio fica preso dentro de uma camada de ar mais quente e a umidade se condensa e forma nuvens chamadas de smog. Mas como essas nuvens não conseguem escapar do nível de inversão, elas causam pouca visibilidade naquela região.
  • Precipitação: Como as nuvens não podem ficar altas o suficiente, não há chuva. Isso tem efeitos adversos sobre a indústria agrícola.
  • Variações diurnas: A inversão de temperatura também afeta as flutuações habituais de temperatura ao longo do dia. Normalmente, a radiação do sol aquece o solo durante o dia. A energia térmica é transferida para o ar acima do solo por convecção e condução. Devido ao acúmulo de ar frio em áreas de temperatura invertida, a transferência de calor é mínima e a variação de temperatura diurna é pequena.
  • Tempestades e tornados: as inversões também causam intensas tempestades e tornados por causa da energia presa no alto da atmosfera.
  • Poluição: finalmente, fumaça, poeira e partículas poluentes ficam presas na troposfera e podem reagir umas com as outras para formar produtos químicos perigosos quando inalados, como a poluição atmosférica.

Relação entre a inverção térmica e a poluição

Poluição do ar e inversão de temperatura são uma combinação perigosa. Em áreas onde a concentração de poluentes atmosféricos é alta, as inversões de temperatura podem afetar significativamente a saúde de nossa sociedade.

Na explicação de como ocorre uma inversão térmica, já foi mencionada a impossibilidade de misturar duas camadas de ar com densidades diferentes (consequência da temperatura diferente). Portanto, é fácil concluir que um dos principais efeitos causados por esse desequilíbrio térmico é que a poluição fica retida sem possibilidade de se dispersar na atmosfera.

O ar quente envolve o ar frio de uma região e aprisiona as partículas poluentes nele. Devido ao fluxo de ar restrito, essas partículas permanecem estagnadas. Então, as partículas reagem umas com as outras para se tornarem ainda mais mortais, criando uma fumaça persistente e prejudicial.

Assim, o estrato de temperatura mais elevada serve de cobertura ao ar mais frio que está em contato com o solo e no qual se concentram os poluentes.

E o SMOG?

Embora tempestades e tornados sejam eventos climáticos significativos, porém uma das coisas mais impactada é a poluição atmosférica. Esta é a névoa “cinza acastanhada” que cobre muitas das maiores cidades do mundo e é resultado de poeira, escapamento de automóveis e fabricação industrial.

Esta situação dá origem ao smog ou “boina da poluição”, visível a vários quilômetros de distância e que costuma decorrer acompanhado de uma descida dos níveis de qualidade do ar.

As consequências deste fenômeno na saúde humana traduzem-se no aumento das consultas médicas motivadas por problemas respiratórios e cardiovasculares, sobretudo entre os grupos de risco (crianças, idosos e doentes).

O smog é impactado pela camada de inversão porque é, em essência, limitado quando a massa de ar quente se move sobre uma área. Isso acontece porque a camada de ar mais quente fica sobre uma cidade e impede a mistura normal de ar mais frio e denso. Assim, o ar fica parado e, com o tempo, a falta de mistura faz com que os poluentes fiquem presos sob a inversão. Dessa maneira, desenvolvendo quantidades significativas de poluição atmosférica.

Durante inversões severas que duram longos períodos, o smog pode cobrir áreas metropolitanas inteiras e causar problemas respiratórios para os habitantes. Essa relação de causa e efeito foi observada em grandes metróploes, onde foi observado um aumento dos níveis de NO2, SO2, PM10 e PM2,5 durante os episódios de inversão térmica e por consequênca o aumento em visitas hospitalares em menores de 15 anos e maiores de 60 anos.

Por causa disso, muitas dessas cidades e outras estão trabalhando para reduzir a poluição do ar. Para aproveitar ao máximo essas mudanças e reduzir o smog na presença de uma inversão de temperatura, é importante primeiro entender todos os aspectos desse fenômeno, tornando-o um componente importante do estudo da meteorologia.

Referências:

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