Por que o vento sopra: pressão, Coriolis e circulação global

No verão de 1735, em algum ponto a oeste das Ilhas Canárias, um brigue de madeira navegava rumo ao oeste sob uma brisa leste constante. O vento nunca parecia mudar de ideia. Era o mesmo vento alísio que havia empurrado navios ibéricos, holandeses e ingleses pelo Atlântico durante dois séculos, a esteira transportadora confiável da era da navegação à vela. Um capitão podia planejar uma viagem em torno dele porque ele estava sempre lá, sempre soprando de mais ou menos o mesmo quadrante, dia após dia após dia.

Naquele mesmo ano, em Londres, um advogado quaker e filósofo natural amador chamado George Hadley apresentou-se diante da Royal Society e leu um breve trabalho argumentando que esse vento não era, de modo algum, um acaso do tempo. Era, segundo ele, o braço de superfície de uma vasta circulação que envolvia o planeta inteiro, movida pelo calor do Sol e curvada pela rotação da Terra. A brisa nas costas daquele único brigue era um fio visível de uma máquina do tamanho de um hemisfério. Então por que o vento sopra, e por que ele sopra onde e como sopra?

O ar está sempre descendo por uma ladeira de pressão

Tire as complicações e o vento é uma coisa simples. É ar fluindo de lugares onde a pressão é alta para lugares onde a pressão é baixa. A força que impulsiona esse fluxo é a força do gradiente de pressão, e ela funciona exatamente como a água que corre ladeira abaixo: quanto mais íngreme a ladeira, mais rápido o movimento. Onde duas regiões da atmosfera têm apenas uma pequena diferença de pressão, o vento é suave. Onde a diferença é grande e concentrada em uma distância curta, o vento uiva.

A pergunta seguinte é de onde vêm essas diferenças de pressão, para começar, e a resposta é a luz solar. O Sol aquece a Terra de modo desigual. O equador recebe luz solar quase de frente o ano inteiro, enquanto os polos recebem os mesmos raios espalhados por um ângulo rasante e por uma área muito maior. O ar aquecido perto da superfície se expande, de modo que a coluna de ar acima de um trecho quente de solo ocupa mais altura e pressiona para baixo de maneira diferente da coluna acima de um trecho frio. O aquecimento desigual produz uma expansão desigual da coluna de ar que se ergue sobre cada metro quadrado de superfície, e a expansão desigual produz as diferenças de pressão que o vento então tenta apagar. O Sol, na prática, fica inclinando a mesa, e o ar fica deslizando por ela.

O giro do planeta curva tudo o que se move

Se a pressão fosse a história toda, o vento sopraria em linha reta da alta para a baixa pressão e o assunto estaria resolvido. Não é assim, e a razão é que a superfície sobre a qual ele sopra está girando. A Terra gira para leste uma vez a cada vinte e quatro horas, e em uma esfera em rotação qualquer objeto que se mova livremente pela superfície parece se desviar de uma trajetória reta. No Hemisfério Norte o desvio é para a direita da direção do movimento; no Hemisfério Sul é para a esquerda.

Essa curvatura aparente é o efeito Coriolis, batizado em homenagem a Gaspard-Gustave de Coriolis, o engenheiro e matemático francês que deduziu sua matemática em 1835. Duas características do efeito importam para entender o vento. Primeiro, sua intensidade depende da latitude: é zero no equador e atinge seu máximo nos polos, de modo que o mesmo vento quase não sente desvio nos trópicos e um desvio poderoso em altas latitudes. Segundo, ele atua sobre qualquer coisa em movimento livre e sustentado pelo planeta, não apenas sobre o ar, motivo pelo qual também empurra as correntes oceânicas e as trajetórias de projéteis de artilharia de longo alcance. Sem o efeito Coriolis, o vento correria reto da alta para a baixa pressão. Com ele, o fluxo é torcido nos grandes padrões curvos que de fato observamos na superfície, e o vento alísio que carregou o brigue imaginado por Hadley deixa de ser um empurrão reto para se tornar um empurrão curvado.

A alça de Hadley e o motor dos trópicos

A contribuição de Hadley foi enxergar o vento tropical como parte de uma alça. Em seu trabalho de 1735 ele propôs que o intenso aquecimento solar ao longo do equador impulsiona um único grande circuito convectivo em cada hemisfério. O ar quente e úmido sobe ao longo do equador, alcança o topo da baixa atmosfera e se espalha em direção aos polos. À medida que viaja, ele esfria e fica mais denso, até que, por volta dos trinta graus de latitude, afunda de volta em direção à superfície. Ali ele gira e flui de volta em direção ao equador perto do solo, e, ao fazê-lo, a rotação da Terra o curva para oeste, produzindo os ventos alísios de leste constantes que empurravam os navios à vela europeus pelo Atlântico.

Esse circuito é a célula de Hadley, e é a coisa mais parecida que a atmosfera tem com um motor térmico que você poderia desenhar em uma única página: calor entrando no equador, ascensão, fluxo em direção aos polos nas alturas, afundamento nos subtrópicos e uma corrente de retorno na superfície curvada nos alísios. As duas forças das seções anteriores ficam visíveis nela ao mesmo tempo. A força do gradiente de pressão eleva e faz circular o ar porque o equador é quente e tem baixa pressão na superfície, enquanto os subtrópicos são frios e têm alta pressão; o desvio de Coriolis curva o fluxo de retorno na superfície para leste, em vez de fazê-lo seguir reto para o norte ou para o sul. O mesmo par reaparece bem lá no alto, onde os contrastes de temperatura mais acentuados perto do topo da baixa atmosfera impulsionam os ventos mais rápidos e concentrados do planeta.

Três células, três faixas de vento

Hadley acertou nos trópicos, mas uma única alça não consegue chegar até os polos. O quadro foi completado em 1856 pelo meteorologista americano William Ferrel, que acrescentou mais duas células em cada hemisfério. O resultado é o modelo de três células: a célula de Hadley indo do equador até cerca de trinta graus, a célula de Ferrel de cerca de trinta a sessenta graus, e a célula polar de sessenta a noventa graus. As células se encaixam como engrenagens, o ramo descendente de uma alimentando o ramo ascendente da seguinte, de modo que o hemisfério inteiro fica revestido do equador ao polo.

Cada célula imprime um vento característico na superfície sob ela. Sob a célula de Hadley sopram os ventos alísios de leste. Sob a célula de Ferrel sopram os ventos de oeste predominantes das latitudes médias. Sob a célula polar sopram os ventos de leste polares. Essas três faixas não são peculiaridades regionais; são a assinatura na superfície da circulação global, e aparecem aproximadamente nos mesmos lugares em todos os oceanos e continentes porque a física que as produz é a mesma em toda parte. O modelo é uma idealização, um diagrama limpo sobreposto a um planeta bagunçado, mas captura o esqueleto de como o ar se move ao redor do mundo.

Por que a latitude decide o clima

Como cada célula produz um vento de superfície específico e uma feição de pressão específica, a circulação de três células organiza o clima do planeta inteiro em faixas que correm paralelas ao equador. Saber a latitude de um lugar lhe diz uma quantidade surpreendente de coisas sobre o tempo dele antes mesmo de você saber qualquer outra coisa, e a razão é a célula que está logo acima.

Duas faixas deixam isso vívido. Por volta dos trinta graus de latitude, em ambos os hemisférios, o ar da célula de Hadley está descendo. O ar que afunda aquece e seca à medida que se comprime, o que suprime nuvens e chuva, e é precisamente ao longo desses ramos descendentes que estão enfileirados os grandes desertos do mundo: o Saara, os desertos da Arábia, os desertos do sudoeste americano e da Austrália, todos agrupados perto dos trinta graus. Por volta dos sessenta graus, em contraste, o ar polar frio encontra o ar mais quente das latitudes médias ao longo da frente polar, e essa zona de colisão é onde vivem as principais rotas de tempestades do mundo, gerando o desfile de sistemas de baixa pressão que dá às latitudes médias o seu tempo mutável e ventoso. Desertos aos trinta, tempestades aos sessenta: a geografia decorre das células.

Os ventos alísios e os ventos de oeste predominantes merecem um momento só seu, porque confundi-los é o erro mais comum em toda a geografia atmosférica. Ambos são ventos de superfície, mas pertencem a células diferentes, sopram em direções opostas e construíram dois mundos marítimos muito diferentes. Os alísios sopram de leste pelos trópicos, e os ventos de oeste sopram de oeste pelas latitudes médias. Os navios à vela exploravam ambos, cavalgando os alísios de leste na ida pelas baixas latitudes e pegando os ventos de oeste na volta, em latitudes mais altas, motivo pelo qual as grandes rotas comerciais da era da navegação à vela traçam laços gigantes em vez de linhas retas pelos oceanos.

Correntes de jato e os limites de um modelo arrumadinho

As células também têm uma contraparte em alta altitude que molda o tempo lá embaixo. Nas fronteiras entre as células, perto do topo da baixa atmosfera, na tropopausa, por volta de nove a doze quilômetros de altura, o contraste de temperatura através da fronteira está no seu ponto mais acentuado, e onde os gradientes de temperatura são mais íngremes o vento é mais rápido. O resultado são as correntes de jato, fitas estreitas de vento de oeste de alta velocidade. A corrente de jato polar corre perto dos sessenta graus e a corrente de jato subtropical perto dos trinta graus, e ambas podem atingir velocidades de duzentos a quatrocentos quilômetros por hora. Elas guiam o caminho de praticamente todo sistema meteorológico das latitudes médias, motivo pelo qual os meteorologistas as observam tão de perto.

Duas ressalvas mantêm esse quadro honesto. A primeira diz respeito a um mito famoso. O efeito Coriolis de fato curva ventos, correntes oceânicas e projéteis de artilharia, mas não decide para que lado a água gira ao descer pelo ralo de uma banheira ou pela descarga de um vaso sanitário. Na escala de uma pia, o efeito é completamente abafado pela geometria da bacia, pelo formato do ralo e pela forma como a água estava se movendo quando chegou. A história da banheira só sobrevive porque a versão dos pontos cardeais é fácil de lembrar, não porque a física se sustente quando você a reduz de escala. A segunda ressalva é mais ampla: o modelo de três células é uma idealização, não uma fotografia. A atmosfera real é fragmentada pela disposição irregular de terra e oceano, pela migração sazonal norte-sul da Zona de Convergência Intertropical, onde os ventos alísios se encontram, por monções movidas pelas diferentes taxas com que terra e mar aquecem e esfriam, e por oscilações de ano para ano como o El Niño e o Dipolo do Oceano Índico, que modulam o sistema inteiro. As células são a estrutura na qual o tempo se apoia, não a descrição completa dele.

Pontos principais

O vento é ar fluindo da alta pressão para a baixa pressão sob a força do gradiente de pressão, que existe porque o Sol aquece a Terra de modo desigual e o aquecimento desigual expande a coluna de ar de maneira diferente de um lugar para outro; o planeta em rotação então desvia esse fluxo por meio do efeito Coriolis, para a direita no Hemisfério Norte e para a esquerda no Sul, nulo no equador e mais forte nos polos. George Hadley esboçou a alça tropical em 1735, Gaspard-Gustave de Coriolis deduziu a matemática do desvio em 1835, e William Ferrel completou o quadro das três células em 1856, dando a cada hemisfério uma célula de Hadley, uma célula de Ferrel e uma célula polar que produzem os ventos alísios, os ventos de oeste predominantes e os ventos de leste polares, com rápidas correntes de jato de oeste correndo ao longo das fronteiras das células perto da tropopausa. Essas faixas explicam por que os desertos se agrupam perto dos trinta graus e as rotas de tempestades perto dos sessenta, por que os alísios e os ventos de oeste sopram em direções opostas, e por que a latitude é um indicador tão forte do clima; mas o modelo é uma idealização que a terra, o oceano, a migração da Zona de Convergência Intertropical, as monções e ciclos como o El Niño todos complicam, e ele não governa, apesar da lenda, o redemoinho de uma pia que esvazia.