Geometrias atmosféricas: as formas geométricas incrivelmente únicas da atmosfera

A Natureza dá-nos 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 adotam 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 cónica. Todos estes fenómenos são gerados por turbilhões, que nos dois primeiros casos têm origem na presença de uma rotação gerada por uma convergência de ventos cruzados a uma certa altura, que se propaga para baixo, formando a caraterística nuvem funil que nos permite observá-la. No segundo caso, 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.

Numa escala maior, temos os ciclones e a sua forma espiralada caraterística. Os ciclones tropicais (furacões, tufões ou ciclones, consoante a bacia ou sub-bacia oceânica onde se formam) são particularmente chamativos pela sua simetria. Esta forma geométrica resulta das forças que atuam permanentemente sobre o ar, gerando uma circulação ciclónica nas áreas de baixa pressão. Com relativa 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 (campo de pressão atmosférica) que praticamente não varia.

Outras formas de nuvens muito atrativas vistas a partir de satélite são as ruas 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 ártica 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 ruas de nuvens sobre os Grandes Lagos, produzindo poderosos nevões e fortes quedas de neve ('efeito do lago') nas costas, de frente para o vento e situadas mais a sul.

Arabescos de sotavento

Já falámos de vórtices e de ruas 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 rodopiantes e distribuem-se em filas, formando ruas a sotavento de uma ilha montanhosa ou de um grupo de ilhas montanhosas, estendendo-se até várias centenas de quilómetros a jusante do obstáculo.

A rutura 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 ciclónicos e anticiclónicos se dispõem alternadamente num padrão repetitivo.

A configuração em cada caso, bem como a formação ou não do padrão, depende principalmente da intensidade do vento e das mudanças na direção do vento. Este fenómeno tem o nome do matemático, físico e engenheiro aeroespacial húngaro Theodore von Kármán (1881-1963), que se notabilizou 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 terrestre, mas sim na do planeta Saturno. Trata-se de um padrão persistente de nuvens à volta do pólo 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 permitiram-nos estabelecer diferentes hipóteses sobre a razão da existência deste gigantesco vórtice e da sua geometria caprichosa.

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 e mutáveis. A corrente de jato polar (terrestre) só é dominada por uma circulação zonal em determinados momentos, sem grandes meandros (alternância de depressões muito cavadas e grandes cristas anticiclónicas).

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. Em Saturno 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.