Caminhos para a complexidade na camada limite atmosférica noturna
Resumo
O foco da presente tese é a camada limite atmosférica noturna, sob condições estáveis. Nesta situação,
a produção de turbulência pelo cisalhamento vertical do vento pode ter magnitude similar à destruição
total de turbulência devido à estratificação térmica e a dissipação molecular. Além de serem próximos no balanço,
a produção de turbulência e a destruição são, cada um deles, funções da intensidade turbulenta. Esta
condição causa situações nas quais o sistema se comporta de maneira diferente do que o esperado para
cada uma de suas partes individualmente. Tais processos são caracterizados, no presente estudo, como
caminhos para a complexidade, e são analisados separadamente em diferentes capítulos que compôem a
tese. No capítulo 2, o estado de acoplamento entre a superfície e o topo da camada limite estável (CLE) é
investigado usando 4 diferentes esquemas para representar a intensidade turbulenta. Uma CLE idealizada
é assumida, com velocidade do vento e temperatura fixas no seu topo. As formulações comparadas são
aquelas que resolvem uma equação prognóstica para a energia cinética turbulenta (ECT) e as que prescrevem
diretamente a intensidade turbulenta como uma função da estabilidade atmosférica. A influência da
formulação no estado de acoplamento é analisada e é concluído que, em geral, a formulação simples de
ECT tem a melhor resposta, embora esta tenda a superestimar a mistura turbulenta. As consequências são
discutidas. No capítulo 3, um novo modelo simplificado para interação entre a superfície e a atmosfera em
condições estáveis é proposto. A principal diferença com relação a estudos anteriores, consiste no fato que
a intensidade turbulenta é determinada por uma equação prognóstica para a ECT, ao invés de usar funções
de estabilidade que são arbitráriamente relacionadas com a estabilidade atmosférica. A principal novidade
é o fato que, quando multipos níveis atmosféricos são considerados, este apresenta soluções complexas,
caracterizando a ocorrência do fenômeno conhecido como intermitência global. A estrutura vertical dos
eventos intermitentes é analisada, e esta mostra que os eventos são gerados na superfície pelo aumento
local do cisalhamento acima de uma fronteira, propagando-se para cima através do termo de transporte
turbulento na equação da ECT. É proposto que tais eventos constituam uma característica natural da CLE
desconectada, a qual ocorre em condições de ventos de grande escala fracos e com céu claro. O capítulo
4 tem como propósito mostrar que o uso de funções de estabilidade que representam a intensidade da
turbulência como a dependência média desta com a estabilidade atmosférica, reduz os graus de liberdade
do sistema, assim evitando que este encontre soluções complexas. Finalmente, no capítulo 5, uma análise
dinâmica detalhada é aplicada no modelo proposto no capítulo 3, com meta de identificar se este é caótico
ou não. É mostrado que as soluções do sistema bifurcam-se com o aumento da velocidade do vento no
topo da CLE, encontrando soluções com período 3 para um intervalo de situações, uma condição suficiente
para a existência de caos. Além disso, expoentes de Lyapunov positivos são encontrados, novamente
confirmando o caráter caótico do sistema. É mostrado que a complexidade surge através de interações
não lineares entre os diferentes níveis verticais considerados, através do termo de transporte vertical de
turbulência.