Geometrias atmosféricas: as formas geométricas incrivelmente únicas da atmosfera

Na atmosfera, as formações de nuvens seguem uma série de padrões que resultam numa grande variedade de formas geométricas facilmente identificáveis. Aqui, te mostraremos algumas delas.

Furacão, ciclone
Ciclone tropical com a sua forma característica em espiral.

A Natureza nos dá a oportunidade de observar uma variedade quase infinita das mais diversas formas, muitas das quais são de crescimento. O princípio da energia mínima dita as regras do jogo no meio natural, resultando na diversidade morfológica que observamos a todas as escalas. O meio atmosférico não é uma exceção, e as formas geométricas que as nuvens possuem são um bom exemplo disso.

Os vórtices que ocorrem na atmosfera resultam em formas espirais impressionantes. Numa escala mais pequena, temos os tornados, as trombas marinhas e os dust devil, que frequentemente apresentam uma forma cônica. Todos estes fenômenos são gerados por turbilhões, que nos dois primeiros casos têm origem na presença de uma rotação gerada por uma convergência dos ventos a uma certa altura, que se propaga para baixo, formando a caraterística nuvem funil que nos permite observá-los. No terceiro exemplo, são as diferenças de temperatura ao nível do solo que dão origem ao movimento de rotação do ar, evoluindo, neste caso, de baixo para cima.

Rastros de nuvens
Nuvens sobre o Mar de Barents, captadas pelo espectrorradiômetro de imagem MODIS do satélite Aqua da NASA, em 15 de março de 2018. ©NASA Earth Observatory

Numa escala maior, temos os ciclones e a sua forma espiralada caraterística. Os ciclones tropicais (furacões, tufões ou ciclones, dependendo de onde se formam) são particularmente atrativos devido à sua simetria. Esta forma geométrica resulta das forças que atuam permanentemente sobre o ar, gerando uma circulação ciclônica nas áreas de baixa pressão. Com certa frequência, a espiral resultante é logarítmica, o que ocorre quando a velocidade do ar em rotação em torno do sistema forma um ângulo com as isóbaras (linhas de pressão atmosférica constante) que praticamente não varia.

Outras formas de nuvens muito atrativas vistas em imagens de satélite são as linhas de nuvens e as células de convecção abertas e fechadas, que as nuvens adotam sobre certas zonas marítimas. São relativamente comuns quando ar muito frio de origem polar ou do Ártico flui sobre águas relativamente quentes (e a camada de ar acima delas).

Este contraste térmico significativo entre as massas de ar resulta nestes padrões de nuvens. Por exemplo, as descargas de ar muito frio que ocorrem todos os invernos na América do Norte geram estas linhas de nuvens sobre os Grandes Lagos, produzindo poderosas nevascas e fortes quedas de neve ('efeito do lago') nas costas.

Arabescos de sotavento

Já falamos de vórtices e de linhas de nuvens e, ocasionalmente, ambas as circunstâncias são combinadas, resultando em algumas estruturas de nuvens espetaculares e muito bonitas. São os vórtices de Von Kármán. Estes vórtices começaram a ser estudados em laboratório, em líquidos como a água, e mais tarde foram observados na atmosfera, tanto em nuvens como sob as asas de um avião ou a sotavento de uma bandeira que está hasteada.

No caso das nuvens, estas assumem a forma de vórtices circulares e distribuem-se em filas, formando linhas a sotavento de uma ilha montanhosa ou de um grupo de ilhas montanhosas, estendendo-se até várias centenas de quilômetros a jusante do obstáculo.

Vórtices de Von Kármán
Vórtices de Von Kármán a sotavento do arquipélago de Cabo Verde, fotografados pelo espectrorradiômetro de imagens MODIS do satélite Terra da NASA em 20 de dezembro de 2020. © NASA Earth Observatory.

A ruptura de um fluxo de ar contínuo (regime de vento dominante numa determinada direção) gera diferenças de pressão a sotavento que dão origem a um fluxo turbulento, de tal modo que os vórtices ciclônicos e anticiclônicos se dispõem alternadamente num padrão repetitivo.

A configuração em cada caso, bem como a formação ou não do padrão, depende principalmente da intensidade e das mudanças na direção do vento. Este fenômeno tem o nome do matemático, físico e engenheiro aeroespacial húngaro Theodore von Kármán (1881-1963), que se destacou pelos seus estudos de mecânica dos fluidos e de aerodinâmica.

O hexágono de Saturno

Deixamos para o fim a forma geométrica mais surpreendente que podemos observar na atmosfera, não na da Terra, mas sim na do planeta Saturno. Trata-se de um padrão persistente de nuvens em volta do polo norte deste gigante gasoso, com a forma de um hexágono. Foi fotografado pela primeira vez durante a aproximação das sondas Voyager 1 e 2, no início dos anos 80, e já era evidente que a dinâmica do hexágono é independente da rotação do planeta.

Mais recentemente, tanto o Telescópio Espacial Hubble como a sonda Cassini fotografaram o hexágono. As imagens da Cassini (como a que acompanha estas linhas) são as de maior resolução e permitem estabelecer diferentes hipóteses sobre a razão da existência deste gigantesco vórtice e da sua geometria incrível.

Hexágono de Saturno
Imagem a cores do hexágono do polo norte de Saturno, processada a partir de uma fotografia da sonda planetária Cassini. © NASA/JPL-Caltech/SSI/Jason Major.

Inicialmente, pensava-se que se tratava de uma corrente de jato muito estável e intensa, ao contrário dos dois jatos polares da Terra (um em cada hemisfério), que são sinuosos. A corrente de jato polar (terrestre) só é dominada por uma circulação zonal em determinados momentos, sem grandes meandros (alternância de cavados e cristas).

Em Saturno, pensa-se (a partir de experiências laboratoriais) que na área onde se encontra o hexágono existe um gradiente latitudinal significativo na velocidade do vento, que mantém estável este padrão de circulação atmosférica. Lá, sopram os ventos mais fortes de todos os planetas do Sistema Solar. Atingem até 2.000 km/h, e tudo indica que há uma mudança significativa na intensidade do vento ao longo da divisão do hexágono.