Célula de Hadley
A célula de Hadley, também conhecida como circulação de Hadley, é uma circulação atmosférica tropical de escala global que apresenta o ar subindo perto do equador, fluindo em direção aos polos perto da tropopausa a uma altura de 12–15 km (7,5–9,3 mi) acima da superfície da Terra, resfriando-se e descendo nos subtrópicos em torno de 30 graus de latitude, e então retornando em direção ao equador perto da superfície. É uma circulação termicamente direta dentro da troposfera que emerge devido a diferenças de insolação e aquecimento entre os trópicos e os subtrópicos. Em uma média anual, a circulação é caracterizada por uma célula de circulação em cada lado do equador. A célula de Hadley do Hemisfério Sul é, em média, ligeiramente mais forte que a sua homóloga do norte, estendendo-se ligeiramente além do equador para o Hemisfério Norte. Durante os meses de verão e inverno, a circulação de Hadley é dominada por uma única célula trans-equatorial, com o ar subindo no hemisfério de verão e descendo no hemisfério de inverno. Circulações análogas podem ocorrer em atmosferas extraterrestres, como em Vênus e Marte.
A circulação de Hadley descreve o amplo revolvimento termicamente direto[a] e meridional[b] do ar dentro da troposfera em baixas latitudes. Dentro da circulação atmosférica global, o fluxo meridional de ar calculado como média ao longo das linhas de latitude é organizado em circulações de movimentos ascendentes e de subsidência, acoplados ao movimento do ar em direção ao equador ou aos polos, chamados de células meridionais. Estas incluem as proeminentes "células de Hadley", centradas sobre os trópicos, e as "células de Ferrel", mais fracas e centradas sobre as latitudes médias. As células de Hadley resultam do contraste de insolação entre as regiões equatoriais quentes e as regiões subtropicais mais frias. O aquecimento desigual da superfície da Terra resulta em regiões de ar ascendente e descendente. Ao longo de um ano, as regiões equatoriais absorvem mais radiação do Sol do que a que irradiam de volta. Em latitudes mais altas, a Terra emite mais radiação do que recebe do Sol. Sem um mecanismo para trocar calor meridionalmente, as regiões equatoriais aqueceriam e as latitudes mais altas esfriariam progressivamente em um desequilíbrio. A ampla ascensão e descida do ar resulta em uma força de gradiente de pressão que impulsiona a circulação de Hadley e outros fluxos de grande escala tanto na atmosfera quanto no oceano, distribuindo calor e mantendo um equilíbrio térmico global de longo prazo e sub-sazonal.
Estrutura e componentes
A estrutura da circulação de Hadley e seus componentes podem ser inferidos grafando-se as médias zonais e temporais dos ventos globais em toda a troposfera. Em escalas de tempo mais curtas, sistemas meteorológicos individuais perturbam o fluxo do vento. Embora a estrutura da circulação de Hadley varie sazonalmente, quando os ventos são calculados em média anual (de uma perspectiva euleriana), a circulação de Hadley é aproximadamente simétrica e composta por duas células de Hadley semelhantes, uma em cada um dos hemisférios Norte e Sul, compartilhando uma região comum de ar ascendente perto do equador; no entanto, a célula de Hadley do Hemisfério Sul é mais forte. Os ventos associados à circulação de Hadley média anual são da ordem de 5 m/s (18 km/h; 11 mph). No entanto, ao calcular a média dos movimentos de parcelas de ar em oposição aos ventos em locais fixos (uma perspectiva lagrangiana), a circulação de Hadley manifesta-se como uma circulação mais ampla que se estende mais em direção aos polos. Cada célula de Hadley pode ser descrita por quatro ramos primários de fluxo de ar dentro dos trópicos:
A estrutura e o mecanismo geral da circulação de Hadley — compreendendo células convectivas que movem o ar devido a diferenças de temperatura de uma forma influenciada pela rotação da Terra — foi proposta pela primeira vez por Edmund Halley em 1685 e George Hadley em 1735. Hadley procurou explicar o mecanismo físico dos ventos alísios e dos ventos de oeste; a circulação de Hadley e as células de Hadley foram nomeadas em honra ao seu trabalho pioneiro. Embora as ideias de Hadley invocassem conceitos físicos que só seriam formalizados muito depois de sua morte, seu modelo era amplamente qualitativo e sem rigor matemático. A formulação de Hadley foi mais tarde reconhecida pela maioria dos meteorologistas na década de 1920 como uma simplificação de processos atmosféricos mais complicados. A circulação de Hadley pode ter sido a primeira tentativa de explicar a distribuição global dos ventos na atmosfera da Terra usando processos físicos. No entanto, a hipótese de Hadley não pôde ser verificada sem observações dos ventos na alta atmosfera. Dados coletados por radiossondas rotineiras, iniciadas em meados do século XX, confirmaram a existência da circulação de Hadley.
Primeiras explicações dos ventos alísios
Nos séculos XV e XVI, as observações das condições meteorológicas marítimas eram de importância considerável para o transporte marítimo. Compilações dessas observações mostraram condições climáticas consistentes de ano para ano e uma variabilidade sazonal significativa. A prevalência de condições secas e ventos fracos em torno da latitude 30° e os ventos alísios em direção ao equador, espelhados nos hemisférios Norte e Sul, eram aparentes já em 1600. Os primeiros esforços dos cientistas para explicar aspectos dos padrões globais de vento frequentemente focavam nos alísios, pois a constância dos ventos sugeria um mecanismo físico simples. Galileu Galilei propôs que os ventos alísios resultavam do fato de a atmosfera ficar para trás em relação à velocidade de rotação tangencial mais rápida da Terra nas baixas latitudes, resultando nos alísios de oeste direcionados opostamente à rotação da Terra.
A explicação de George Hadley
Insatisfeito com as explicações anteriores para os ventos alísios, George Hadley propôs um mecanismo alternativo em 1735. A hipótese de Hadley foi publicada no artigo "On the Cause of the General Trade Winds" nas Philosophical Transactions of the Royal Society. Como Halley, a explicação de Hadley via os ventos alísios como uma manifestação do ar movendo-se para tomar o lugar do ar quente ascendente. No entanto, a região de ar ascendente que motivava esse fluxo situava-se ao longo das baixas latitudes. Entendendo que a velocidade de rotação tangencial da Terra era mais rápida no equador e diminuía em direção aos polos, Hadley conjecturou que, à medida que o ar com menor momento de latitudes mais altas se movia em direção ao equador para substituir o ar ascendente, ele conservaria seu momento e, assim, curvaria para oeste. Pelo mesmo princípio, o ar ascendente com maior momento espalhar-se-ia em direção aos polos, curvando-se para leste e depois descendo à medida que esfriava para produzir os ventos de oeste nas latitudes médias. A explicação de Hadley implicava a existência de células de circulação que abrangiam o hemisfério nos hemisférios Norte e Sul, estendendo-se do equador aos polos, embora ele tenha se baseado em uma idealização da atmosfera da Terra que carecia de sazonalidade ou das assimetrias dos oceanos e continentes. Seu modelo também previa ventos alísios de leste rápidos de cerca de 37 m/s (130 km/h; 83 mph), embora ele argumentasse que a ação da fricção superficial ao longo de alguns dias desacelerava o ar para as velocidades de vento observadas. Colin Maclaurin estendeu o modelo de Hadley para o oceano em 1740, afirmando que as correntes oceânicas meridionais estavam sujeitas a deflexões semelhantes para oeste ou leste.
Crítica à explicação de Hadley
O trabalho de Gustave Coriolis, William Ferrel, Jean Bernard Foucault e Henrik Mohn no século XIX ajudou a estabelecer a força de Coriolis como o mecanismo para a deflexão dos ventos devido à rotação da Terra, enfatizando a conservação do momento angular na direção dos fluxos, em vez da conservação do momento linear, como Hadley sugeriu; a suposição de Hadley levou a uma subestimativa da deflexão por um fator de dois. A aceitação da força de Coriolis na formação dos ventos globais levou a um debate entre cientistas atmosféricos alemães, iniciado na década de 1870, sobre a completude e validade da explicação de Hadley, que explicava estritamente o comportamento de movimentos inicialmente meridionais. O uso da fricção superficial por Hadley para explicar por que os ventos alísios eram muito mais lentos do que sua teoria previa foi visto como uma fraqueza fundamental em suas ideias. Os movimentos de sudoeste observados em nuvens cirrus em torno de 30°N descontaram ainda mais a teoria de Hadley, pois seu movimento era muito mais lento do que a teoria previa ao contabilizar a conservação do momento angular. Em 1899, William Morris Davis, professor de geografia física na Universidade de Harvard, proferiu um discurso na Royal Meteorological Society criticando a teoria de Hadley por não explicar a transição de um fluxo inicialmente desequilibrado para o balanço geostrófico. Davis e outros meteorologistas no século XX reconheceram que o movimento das parcelas de ar ao longo da circulação imaginada por Hadley era sustentado por uma interação constante entre o gradiente de pressão e as forças de Coriolis, em vez da conservação do momento angular isoladamente. Em última análise, embora a comunidade de ciência atmosférica considerasse as ideias gerais do princípio de Hadley válidas, sua explicação foi vista como uma simplificação de processos físicos mais complexos.
Observação direta
O modelo de três células da circulação atmosférica global — com a circulação concebida por Hadley formando seu componente tropical — havia sido amplamente aceito pela comunidade meteorológica no início do século XX. No entanto, a existência da célula de Hadley só foi validada por observações meteorológicas perto da superfície, e suas previsões de ventos na alta troposfera permaneceram sem testes. A amostragem rotineira da alta troposfera por radiossondas que surgiu em meados do século XX confirmou a existência de células de revolvimento meridional na atmosfera.
A circulação de Hadley é uma das influências mais importantes no clima global e na habitabilidade planetária, bem como um importante transportador de momento angular, calor e vapor de água. As células de Hadley suavizam o gradiente de temperatura entre o equador e os polos, tornando os extratrópicos mais amenos. O padrão global de precipitação — com alta pluviosidade nos trópicos e escassez em latitudes mais altas — é uma consequência do posicionamento dos ramos ascendentes e descendentes das células de Hadley, respectivamente. Perto do equador, a ascensão do ar úmido resulta na precipitação mais pesada da Terra. O movimento periódico da ZCIT e, consequentemente, a variação sazonal dos ramos ascendentes da circulação de Hadley, produz as monções do mundo. O movimento descendente de ar associado ao ramo de subsidência produz divergência superficial consistente com a proeminência das áreas de alta pressão subtropical. Estas regiões semipermanentes de alta pressão situam-se principalmente sobre o oceano entre as latitudes 20° e 40°. Condições áridas estão associadas aos ramos descendentes da circulação de Hadley, com muitos dos desertos e regiões semiáridas ou áridas da Terra situando-se sob os ramos de subsidência da circulação de Hadley.
Variabilidade natural
Reconstruções de paleoclima dos ventos alísios e dos padrões de chuva sugerem que a circulação de Hadley mudou em resposta à variabilidade climática natural. Durante os eventos de Heinrich nos últimos 100.000 anos, a célula de Hadley do Hemisfério Norte fortaleceu-se, enquanto a do Hemisfério Sul enfraqueceu. A variação na insolação durante o Holoceno médio a tardio resultou em uma migração para o sul dos ramos ascendentes e descendentes da célula de Hadley do Hemisfério Norte, aproximando-os de suas posições atuais. Anéis de árvores das latitudes médias do Hemisfério Norte sugerem que a posição histórica dos ramos da célula de Hadley também mudou em resposta a oscilações mais curtas; o ramo descendente do Hemisfério Norte moveu-se para o sul durante as fases positivas do El Niño–Oscilação Sul e da Oscilação Decadal do Pacífico, e para o norte durante as fases negativas correspondentes. As células de Hadley foram deslocadas para o sul entre 1400 e 1850, período que coincidiu com secas em partes do Hemisfério Norte.
Expansão da célula de Hadley e mudanças na intensidade
De acordo com o Sexto Relatório de Avaliação do IPCC (AR6), a circulação de Hadley provavelmente se expandiu desde pelo menos a década de 1980 em resposta às mudanças climáticas, com confiança média em uma intensificação acompanhante da circulação. Uma expansão da circulação global em direção aos polos de cerca de 0,1° a 0,5° de latitude por década desde a década de 1980 é explicada em grande parte pelo deslocamento da célula de Hadley do Hemisfério Norte, que, em reanálise atmosférica, mostrou uma expansão mais acentuada desde 1992. No entanto, o AR6 também relatou confiança média de que a expansão da célula do Hemisfério Norte está dentro da faixa de variabilidade interna. Em contraste, o relatório avaliou como provável que a expansão da célula de Hadley do Hemisfério Sul tenha sido causada por influência antropogênica; essa conclusão baseou-se em modelos climáticos do CMIP5 e CMIP6.
Mudanças nos padrões meteorológicos
A expansão da circulação de Hadley está conectada a mudanças drásticas nos padrões climáticos regionais e globais: O AR6 avaliou que a expansão da célula de Hadley no Hemisfério Norte pode ter levado, em parte, a condições mais secas nos subtrópicos e a uma expansão da aridez durante o verão boreal.
Fora da Terra, qualquer circulação termicamente direta que circule o ar meridionalmente através de gradientes de insolação em escala planetária pode ser descrita como uma circulação de Hadley. Uma atmosfera terrestre sujeita ao aquecimento equatorial excessivo tende a manter uma circulação de Hadley axissimétrica, com movimentos ascendentes perto do equador e subsidência em latitudes mais altas. Hipotetiza-se que o aquecimento diferencial resulte em circulações de Hadley análogas às da Terra em outras atmosferas do Sistema Solar, como em Vênus, Marte e Titã. Assim como na atmosfera terrestre, a circulação de Hadley seria a circulação meridional dominante para essas atmosferas extraterrestres. Embora menos compreendidas, as circulações de Hadley também podem estar presentes nos gigantes gasosos do Sistema Solar e devem, em princípio, materializar-se em atmosferas exoplanetárias. A extensão espacial de uma célula de Hadley em qualquer atmosfera pode depender da taxa de rotação do planeta ou lua; uma taxa de rotação mais rápida leva a células de Hadley mais contraídas (com uma extensão polar mais restritiva) e a uma circulação meridional global mais celular. A taxa de rotação mais lenta reduz o efeito Coriolis, diminuindo assim o gradiente de temperatura meridional necessário para sustentar um jato na fronteira polar da célula de Hadley e, consequentemente, permitindo que a célula se estenda mais em direção aos polos.
