Saúde

Célula de Hadley

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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,^[1] resfriando-se e descendo nos subtrópicos em torno de 30 graus de latitude, e então retornando em direção ao equador perto da superfície.^[2] É uma circulação termicamente direta dentro da troposfera que emerge devido a diferenças de insolação e aquecimento entre os trópicos e os subtrópicos.^[2] Em uma média anual, a circulação é caracterizada por uma célula de circulação em cada lado do equador.^[3] 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.^[4] 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.^[2] Circulações análogas podem ocorrer em atmosferas extraterrestres, como em Vênus e Marte.^[5]

O clima global é grandemente influenciado pela estrutura e comportamento da circulação de Hadley.^[2] Os ventos alísios predominantes são uma manifestação dos ramos inferiores da circulação de Hadley, convergindo ar e umidade nos trópicos para formar a Zona de Convergência Intertropical (ZCIT), onde se localizam as chuvas mais pesadas da Terra.^[6] Deslocamentos na ZCIT associados à variabilidade sazonal da circulação de Hadley causam monções.^[7] Os ramos descendentes das células de Hadley dão origem às cristas subtropicais oceânicas e suprimem a precipitação;^[8] muitos dos desertos e regiões áridas da Terra estão localizados nos subtrópicos, coincidentes com a posição dos ramos de subsidência.^[9] A circulação de Hadley é também um mecanismo chave para o transporte meridional de calor, momento angular e umidade, contribuindo para a corrente de jato subtropical, para os trópicos úmidos e para a manutenção de um equilíbrio térmico global.^[10]

A circulação de Hadley recebeu o nome de George Hadley, que em 1735 postulou a existência de células de circulação que abrangiam o hemisfério, impulsionadas por diferenças de aquecimento, para explicar os ventos alísios.^[11] Outros cientistas mais tarde desenvolveram argumentos semelhantes ou criticaram a teoria qualitativa de Hadley, fornecendo explicações e formalismos mais rigorosos.^[1] A existência de uma ampla circulação meridional do tipo sugerido por Hadley foi confirmada em meados do século XX, uma vez que observações rotineiras da alta troposfera tornaram-se disponíveis através de radiossondas.^[1] Observações e modelagem climática indicam que a circulação de Hadley expandiu-se em direção aos polos desde pelo menos a década de 1980 como resultado das mudanças climáticas, com uma intensificação acompanhante, porém menos certa, da circulação;^[12]^[13] essas mudanças têm sido associadas a tendências nos padrões meteorológicos regionais.^[14] Projeções de modelos sugerem que a circulação irá alargar-se e enfraquecer-se ao longo do século XXI devido às mudanças climáticas.^[15]

Mecanismo e características

A circulação de Hadley descreve o amplo revolvimento termicamente direto^[a] e meridional^[b] do ar dentro da troposfera em baixas latitudes.^[16] 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.^[8] 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.^[2]

A circulação de Hadley cobre quase metade da área da superfície da Terra, estendendo-se aproximadamente do Trópico de Câncer ao Trópico de Capricórnio.^[2] Verticalmente, a circulação ocupa toda a profundidade da troposfera.^[17] As células de Hadley que compõem a circulação consistem em ar transportado em direção ao equador pelos ventos alísios na baixa troposfera, que ascende ao ser aquecido perto do equador, juntamente com o ar que se move em direção aos polos na alta troposfera.^[18] O ar que é movido para os subtrópicos esfria e então desce antes de retornar ao equador em direção aos trópicos;^[19] a posição do ar descendente associado à célula de Hadley é frequentemente usada como uma medida da largura meridional dos trópicos globais.^[20] O retorno do ar em direção ao equador e a forte influência do aquecimento tornam a célula de Hadley uma circulação impulsionada termicamente e fechada.^[19] Devido à subida flutuante do ar perto do equador e à descida do ar em latitudes mais altas, um gradiente de pressão se desenvolve perto da superfície com pressões mais baixas perto do equador e pressões mais altas nos subtrópicos; isso fornece a força motriz para o fluxo em direção ao equador na baixa troposfera. No entanto, a liberação de calor latente associada à condensação nos trópicos também suaviza a diminuição da pressão com a altura, resultando em pressões mais altas no topo nos trópicos em comparação com os subtrópicos para uma dada altura na alta troposfera; este gradiente de pressão é mais forte do que o seu equivalente perto da superfície e fornece a força motriz para o fluxo em direção aos polos na alta troposfera.^[21] As células de Hadley são mais comumente identificadas usando a função de corrente de ventos meridionais ponderada pela massa e com média zonal, mas também podem ser identificadas por outros parâmetros físicos mensuráveis ou deriváveis, como o potencial de velocidade ou a componente vertical do vento em um determinado nível de pressão.^[22]

Dada a latitude $\phi$ e o nível de pressão $p$ , a função de corrente de Stokes que caracteriza a circulação de Hadley é dada por:

\psi (\phi ,p)={\frac {2\pi a\cos \phi }{g}}\int _{0}^{p}[v(\phi ,p)]\,dp

onde $a$ é o raio da Terra, $g$ é a aceleração devido à gravidade da Terra e $[v(\phi ,p)]$ é o vento meridional médio zonal na latitude e nível de pressão prescritos. O valor de $\psi$ fornece o fluxo de massa meridional integrado entre o nível de pressão especificado e o topo da atmosfera terrestre, com valores positivos indicando transporte de massa para o norte.^[23] A força das células de Hadley pode ser quantificada com base em $\psi$ , incluindo os valores máximo e mínimo ou as médias da função de corrente, tanto globalmente quanto em vários níveis de pressão. A intensidade da célula de Hadley também pode ser avaliada usando outras grandezas físicas, como o potencial de velocidade, a componente vertical do vento, o transporte de vapor de água ou a energia total da circulação.^[24]

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;^[3] no entanto, a célula de Hadley do Hemisfério Sul é mais forte.^[4] Os ventos associados à circulação de Hadley média anual são da ordem de 5 m/s (18 km/h; 11 mph).^[3] 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.^[25] Cada célula de Hadley pode ser descrita por quatro ramos primários de fluxo de ar dentro dos trópicos:^[26]^[27]

Um ramo inferior, em direção ao equador, dentro da camada limite planetária
Um ramo ascendente perto do equador
Um ramo superior, em direção aos polos, na alta troposfera
Um ramo descendente nos subtrópicos

Os ventos alísios nas baixas latitudes de ambos os hemisférios Norte e Sul da Terra convergem o ar em direção ao equador, devido a um cinturão de baixa pressão atmosférica exibindo tempestades abundantes e chuvas fortes conhecido como Zona de Convergência Intertropical (ZCIT).^[2]^[28] Este movimento de ar em direção ao equador perto da superfície da Terra constitui o ramo inferior da célula de Hadley.^[1] A posição da ZCIT é influenciada pelo calor das temperaturas da superfície do mar (TSM) perto do equador e pela força dos gradientes de pressão trans-equatoriais. Em geral, a ZCIT localiza-se perto do equador ou é deslocada em direção ao hemisfério de verão, onde se encontram as TSMs mais quentes.^[29]^[30] Numa média anual, o ramo ascendente da circulação de Hadley está ligeiramente deslocado em direção ao Hemisfério Norte, longe do equador.^[4] Devido à força de Coriolis, os ventos alísios desviam-se na direção oposta à rotação da Terra, soprando parcialmente para oeste em vez de diretamente para o equador em ambos os hemisférios. O ramo inferior acumula umidade resultante da evaporação nos oceanos tropicais da Terra.^[5] Um ambiente mais quente e ventos convergentes forçam o ar úmido a ascender perto do equador, resultando no ramo ascendente da célula de Hadley.^[2] O movimento ascendente é ainda reforçado pela liberação de calor latente, pois a subida do ar úmido resulta em uma faixa equatorial de condensação e precipitação.^[8]^[5] O ramo ascendente da circulação de Hadley ocorre amplamente em tempestades que ocupam apenas cerca de um por cento da área de superfície dos trópicos.^[31] O transporte de calor no ramo ascendente da circulação de Hadley é realizado de forma mais eficiente por torres quentes — nuvens cumulonimbus com fortes correntes ascendentes que não se misturam com o ar mais seco comumente encontrado na troposfera média e, assim, permitem o movimento do ar da baixa troposfera tropical altamente úmida para a alta troposfera. Aproximadamente 1.500–5.000 torres quentes diárias perto da região da ZCIT são necessárias para sustentar o transporte de calor vertical exibido pela circulação de Hadley.^[32]

A ascensão do ar sobe na alta troposfera até uma altura de 12–15 km (7,5–9,3 mi), após o que o ar diverge da ZCIT em direção aos polos.^[33] O topo da célula de Hadley é definido pela altura da tropopausa, pois a estratosfera estável acima impede a subida contínua do ar.^[34] O ar proveniente das baixas latitudes possui maior momento angular absoluto em relação ao eixo de rotação da Terra. A distância entre a atmosfera e o eixo da Terra diminui em direção aos polos; para conservar o momento angular, as parcelas de ar que se movem em direção aos polos devem acelerar para leste.^[35] O efeito Coriolis limita a extensão polar da circulação de Hadley, acelerando o ar na direção da rotação da Terra e formando uma corrente de jato direcionada zonalmente, em vez de continuar o fluxo de ar em direção aos polos na fronteira polar de cada célula de Hadley.^[36]^[37] Considerando apenas a conservação do momento angular, uma parcela de ar em repouso ao longo do equador aceleraria para uma velocidade zonal de 134 m/s (480 km/h; 300 mph) ao atingir a latitude de 30°. No entanto, a turbulência de pequena escala ao longo do trajeto da parcela em direção ao polo e os redemoinhos de grande escala nas latitudes médias dissipam o momento angular.^[38] O jato associado à célula de Hadley do Hemisfério Sul é mais forte que o seu homólogo do norte devido à maior intensidade da célula do Hemisfério Sul.^[39] As latitudes mais altas e frias levam ao resfriamento das parcelas de ar, o que faz com que o ar em direção aos polos acabe descendo.^[35] Quando o movimento do ar é calculado em média anual, o ramo descendente da célula de Hadley localiza-se aproximadamente sobre o paralelo 25 N e o paralelo 25 S.^[3] A umidade nos subtrópicos é então parcialmente advectada para o polo por redemoinhos e parcialmente advectada para o equador pelo ramo inferior da célula de Hadley, onde é posteriormente levada para a ZCIT.^[40] Embora a célula de Hadley com média zonal seja organizada em quatro ramos principais, estes ramos são agregações de fluxos de ar mais concentrados e regiões de transporte de massa.^[41]

Várias teorias e modelos físicos tentaram explicar a largura latitudinal da célula de Hadley.^[42] O Modelo de Held–Hou fornece uma restrição teórica sobre a extensão meridional das células de Hadley. Ao assumir uma atmosfera simplificada composta por uma camada inferior sujeita à fricção da superfície da Terra e uma camada superior livre de fricção, o modelo prevê que a circulação de Hadley estaria restrita a 2 500 km (1 600 mi) do equador se as parcelas não tivessem qualquer aquecimento líquido dentro da circulação.^[16] De acordo com o Modelo de Held–Hou, a latitude da borda polar da célula de Hadley $\phi$ escala de acordo com:

\phi \propto {\sqrt {\frac {g\Delta \theta H_{t}}{\Omega ^{2}a^{2}\theta _{0}}}}

onde $\Delta \theta$ é a diferença na temperatura potencial entre o equador e o polo em equilíbrio radiativo, $H_{t}$ é a altura da tropopausa, $\Omega$ é a taxa de rotação da Terra e $\theta _{0}$ é uma temperatura potencial de referência.^[42] Outros modelos compatíveis postulam que a largura da célula de Hadley pode escalar com outros parâmetros físicos, como a frequência de Brunt–Väisälä calculada como média vertical na troposfera ou a taxa de crescimento das ondas baroclínicas emitidas pela célula.^[43]

Formulação e descoberta

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.^[1] Hadley procurou explicar o mecanismo físico dos ventos alísios e dos ventos de oeste;^[44] a circulação de Hadley e as células de Hadley foram nomeadas em honra ao seu trabalho pioneiro.^[11]^[9] 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.^[45] A formulação de Hadley foi mais tarde reconhecida pela maioria dos meteorologistas na década de 1920 como uma simplificação de processos atmosféricos mais complicados.^[46] 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.^[1]

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.^[47] 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.^[48]

Em 1685, o polímata inglês Edmund Halley propôs, em um debate organizado pela Royal Society, que os ventos alísios resultavam de diferenças de temperatura de leste a oeste produzidas ao longo de um dia nos trópicos.^[49] No modelo de Halley, conforme a Terra girava, o local de aquecimento máximo do Sol movia-se para oeste através da superfície da Terra. Isso faria com que o ar subisse e, pela conservação da massa, Halley argumentou que o ar seria movido para a região de ar evacuado, gerando os ventos alísios. A hipótese de Halley foi criticada por seus amigos, que notaram que seu modelo levaria a mudanças nas direções do vento ao longo do dia, em vez dos alísios constantes.^[48] Halley admitiu em correspondência pessoal com John Wallis que "Seu questionamento da minha hipótese para resolver os Ventos Alísios me deixa menos confiante na verdade da mesma".^[50] No entanto, a formulação de Halley foi incorporada na Chambers's Encyclopaedia e na La Grande Encyclopédie, tornando-se a explicação mais conhecida para os ventos alísios até o início do século XIX.^[48] Embora sua explicação para os alísios estivesse incorreta, Halley previu corretamente que os ventos alísios de superfície deveriam ser acompanhados por um fluxo oposto no topo, seguindo a conservação da massa.^[51]

A explicação de George Hadley

Insatisfeito com as explicações anteriores para os ventos alísios, George Hadley propôs um mecanismo alternativo em 1735.^[52] A hipótese de Hadley foi publicada no artigo "On the Cause of the General Trade Winds" nas Philosophical Transactions of the Royal Society.^[53] 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.^[52] 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,^[54] embora ele tenha se baseado em uma idealização da atmosfera da Terra que carecia de sazonalidade ou das assimetrias dos oceanos e continentes.^[55] Seu modelo também previa ventos alísios de leste rápidos de cerca de 37 m/s (130 km/h; 83 mph),^[52] embora ele argumentasse que a ação da fricção superficial ao longo de alguns dias desacelerava o ar para as velocidades de vento observadas.^[56] 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.^[52]

Hadley não foi amplamente associado à sua teoria devido à confusão com seu irmão mais velho, John Hadley, e com Halley; sua teoria não conseguiu ganhar muita tração na comunidade científica por mais de um século devido à sua explicação pouco intuitiva e à falta de observações validadoras.^[57] Vários outros filósofos naturais apresentaram independentemente explicações para a distribuição global dos ventos logo após a proposta de Hadley em 1735. Em 1746, Jean le Rond d'Alembert forneceu uma formulação matemática para os ventos globais, mas desconsiderou o aquecimento solar e atribuiu os ventos aos efeitos gravitacionais do Sol e da Lua. Immanuel Kant, também insatisfeito com a explicação de Halley para os alísios, publicou uma explicação para os ventos alísios e de oeste em 1756 com raciocínio semelhante ao de Hadley.^[58] Na última parte do século XVIII, Pierre-Simon Laplace desenvolveu um conjunto de equações estabelecendo uma influência direta da rotação da Terra na direção do vento.^[59] O cientista suíço Jean-André Deluc publicou uma explicação dos ventos alísios em 1787 semelhante à hipótese de Hadley, conectando o aquecimento diferencial e a rotação da Terra com a direção dos ventos.^[60]

O químico inglês John Dalton foi o primeiro a creditar claramente a explicação dos ventos alísios a George Hadley, mencionando o trabalho de Hadley em seu livro de 1793, Meteorological Observations and Essays.^[61] Em 1837, a Philosophical Magazine publicou uma nova teoria das correntes de vento desenvolvida por Heinrich Wilhelm Dove sem referência a Hadley, mas explicando de forma semelhante a direção dos ventos alísios como sendo influenciada pela rotação da Terra. Em resposta, Dalton escreveu mais tarde uma carta ao editor para o periódico promovendo o trabalho de Hadley.^[62] Dove subsequentemente creditou Hadley com tanta frequência que a teoria abrangente tornou-se conhecida como o "princípio de Hadley–Dove",^[63] popularizando a explicação de Hadley para os ventos alísios na Alemanha e na Grã-Bretanha.^[64]

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;^[63] a suposição de Hadley levou a uma subestimativa da deflexão por um fator de dois.^[55] 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.^[63] 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.^[65] 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.^[66] 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.^[67] 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.^[46]^[68]

O modelo de Hadley da circulação atmosférica global ser caracterizada por células de circulação em todo o hemisfério também foi desafiado por observações meteorológicas que mostravam uma zona de alta pressão nos subtrópicos e um cinturão de baixas pressões em torno da latitude 60°. Esta distribuição de pressão implicaria um fluxo em direção ao polo perto da superfície nas latitudes médias, em vez de um fluxo em direção ao equador implícito pelas células imaginadas por Hadley. Ferrel e James Thomson mais tarde reconciliaram o padrão de pressão com o modelo de Hadley ao propor uma célula de circulação limitada a baixas altitudes nas latitudes médias e aninhada dentro das células de Hadley mais amplas que abrangem o hemisfério. Carl-Gustaf Rossby propôs em 1947 que a circulação de Hadley estava limitada aos trópicos, formando uma parte de um fluxo meridional de múltiplas células impulsionado dinamicamente.^[69]^[70] O modelo de Rossby assemelhava-se a um modelo semelhante de três células desenvolvido por Ferrel em 1860.^[70]

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.^[71] 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.^[1]

Influência no clima

A circulação de Hadley é uma das influências mais importantes no clima global e na habitabilidade planetária,^[2] bem como um importante transportador de momento angular, calor e vapor de água.^[6]^[10] As células de Hadley suavizam o gradiente de temperatura entre o equador e os polos, tornando os extratrópicos mais amenos.^[9] 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.^[8] Perto do equador, a ascensão do ar úmido resulta na precipitação mais pesada da Terra.^[2] O movimento periódico da ZCIT e, consequentemente, a variação sazonal dos ramos ascendentes da circulação de Hadley, produz as monções do mundo.^[7] O movimento descendente de ar associado ao ramo de subsidência produz divergência superficial consistente com a proeminência das áreas de alta pressão subtropical.^[8] Estas regiões semipermanentes de alta pressão situam-se principalmente sobre o oceano entre as latitudes 20° e 40°.^[9] Condições áridas estão associadas aos ramos descendentes da circulação de Hadley,^[42] com muitos dos desertos e regiões semiáridas ou áridas da Terra situando-se sob os ramos de subsidência da circulação de Hadley.^[2]^[22]

A camada limite marinha nublada, comum nos subtrópicos, pode ser semeada por núcleos de condensação exportados dos trópicos pela circulação de Hadley.^[72]

Efeitos das mudanças climáticas

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.^[73]

Expansão da célula de Hadley e mudanças na intensidade

Tendências observadas

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.^[12]^[13] 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.^[74]

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;^[75] essa conclusão baseou-se em modelos climáticos do CMIP5 e CMIP6.^[20]

Os estudos produziram uma ampla gama de estimativas para a taxa de alargamento dos trópicos devido ao uso de diferentes métricas; estimativas baseadas em propriedades da alta troposfera tendem a gerar uma gama maior de valores.^[76] O grau de expansão varia conforme a estação, com tendências no verão e outono sendo maiores e estatisticamente significativas em ambos os hemisférios.^[77] O alargamento da circulação de Hadley também resultou em um provável alargamento da ZCIT desde a década de 1970.^[78]

Mecanismos físicos e mudanças projetadas

A expansão da circulação de Hadley devido às mudanças climáticas é consistente com o Modelo de Held–Hou, que prevê que a extensão latitudinal da circulação é proporcional à raiz quadrada da altura da tropopausa. O aquecimento da troposfera eleva a altura da tropopausa, permitindo que o ramo superior das células de Hadley se estenda mais longe.^[79]

Os processos físicos exatos ainda são alvo de estudo, mas podem estar ligados a:

**Aquecimento desigual:** O maior aquecimento dos subtrópicos em relação a outras latitudes desloca o jato subtropical e os redemoinhos baroclínicos para os polos.^[20]
**Ozônio estratosférico:** A redução da camada de ozônio no Hemisfério Sul aumenta o resfriamento radiativo na baixa estratosfera, o que pode deslocar os redemoinhos baroclínicos para o polo.^[80]
**Aerossóis:** No Hemisfério Norte, concentrações crescentes de carbono negro e ozônio troposférico podem ser forçantes importantes no verão boreal.^[77]

Mudanças nos padrões meteorológicos

A expansão da circulação de Hadley está conectada a mudanças drásticas nos padrões climáticos regionais e globais:^[14]

**Deslocamento do cinturão de chuvas:** O alargamento dos trópicos pode deslocar o cinturão de chuvas tropicais e expandir os desertos subtropicais.
**Aridez e Queimadas:** O deslocamento das cristas subtropicais está associado a tendências de seca no sul da Austrália, nordeste da China e norte do Sul da Ásia.
**Pressão Atmosférica:** Mudanças na intensidade e posição da Alta dos Açores e da alta do Pacífico Noroeste influenciam a variabilidade da precipitação regional.
**Ressurgência Oceânica:** A modelagem sugere que o deslocamento das altas subtropicais pode reduzir a ressurgência marinha em baixas latitudes e aumentá-la em altas latitudes.^[81]

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.^[82]

Circulações de Hadley extraterrestres

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.^[5] 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.^[83] 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.^[84] 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.^[85]^[86] 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.^[87] 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.^[37]

Vênus, que gira lentamente, pode ter células de Hadley que se estendem mais em direção aos polos do que as da Terra, abrangendo do equador às altas latitudes em cada um dos hemisférios Norte e Sul.^[5]^[88] Sua ampla circulação de Hadley manteria eficientemente a distribuição de temperatura quase isotérmica entre o polo e o equador do planeta e velocidades verticais de cerca de 0,5 cm/s (0,018 km/h; 0,011 mph).^[88]^[89] Observações de traçadores químicos, como o monóxido de carbono, fornecem evidências indiretas da existência da circulação de Hadley venusiana.^[90] A presença de ventos em direção aos polos com velocidades de até cerca de 15 m/s (54 km/h; 34 mph) a uma altitude de 65 km (40 mi) é tipicamente entendida como associada ao ramo superior de uma célula de Hadley,^[91] que pode estar localizado entre 50–65 km (31–40 mi) acima da superfície venusiana.^[90] As lentas velocidades verticais associadas à circulação de Hadley não foram medidas diretamente, embora possam ter contribuído para as velocidades verticais medidas pelas missões Vega e Venera.^[91] As células de Hadley podem estender-se até cerca de 60° de latitude, situando-se em direção ao equador em relação a uma corrente de jato de latitude média que demarca a fronteira entre a hipotética célula de Hadley e o vórtice polar.^[90] A atmosfera do planeta pode exibir duas circulações de Hadley, uma perto da superfície e outra ao nível da camada superior de nuvens. A circulação de Hadley venusiana pode contribuir para a super-rotação atmosférica do planeta.^[5]

Simulações da atmosfera marciana sugerem que uma circulação de Hadley também está presente em Marte, exibindo uma sazonalidade mais forte em comparação com a da Terra.^[92] Essa maior sazonalidade resulta da menor inércia térmica devido à ausência de oceanos e à atmosfera mais fina do planeta.^[5]^[93] Além disso, a excentricidade orbital de Marte leva a uma célula de Hadley mais forte e larga durante o seu inverno setentrional em comparação com o inverno meridional. Durante a maior parte do ano marciano, quando uma única célula de Hadley prevalece, seus ramos ascendentes e descendentes localizam-se nas latitudes 30° e 60°, respectivamente, em modelos climáticos globais.^[94] O topo das células de Hadley em Marte pode atingir altitudes mais elevadas (cerca de 60 km [37 mi]) e ser menos definido do que na Terra devido à ausência de uma tropopausa forte em Marte.^[92]^[95] Enquanto o calor latente de mudanças de fase associadas à água impulsiona grande parte do movimento ascendente na circulação de Hadley terrestre, a ascensão na circulação de Marte pode ser impulsionada pelo aquecimento radiativo da poeira em suspensão e intensificada pela condensação de dióxido de carbono perto das calotas polares do hemisfério de inverno, acentuando os gradientes de pressão.^[5] Ao longo do ano marciano, o fluxo de massa da circulação de Hadley varia entre 10⁹ kg s⁻¹ durante os equinócios e 10¹⁰ nos solstícios.^[96]

Uma circulação de Hadley também pode estar presente na atmosfera de Titã, a lua de Saturno. Assim como em Vênus, a baixa taxa de rotação de Titã pode sustentar uma circulação de Hadley espacialmente ampla.^[88] Modelagens de circulação geral da atmosfera de Titã sugerem a presença de uma célula de Hadley trans-equatorial. Essa configuração é consistente com os ventos meridionais observados pela sonda Huygens quando pousou perto do equador de Titã.^[97] Durante os solstícios de Titã, sua circulação de Hadley pode assumir a forma de uma única célula que se estende de polo a polo, com gás quente subindo no hemisfério de verão e descendo no hemisfério de inverno.^[98] Uma configuração de duas células com ascensão perto do equador está presente em modelos durante um período de transição limitado perto dos equinócios.^[99] A distribuição de nuvens de metano convectivas em Titã e as observações da sonda Huygens sugerem que o ramo ascendente de sua circulação de Hadley ocorre nas latitudes médias de seu hemisfério de verão.^[100] A formação frequente de nuvens ocorre na latitude 40° no hemisfério de verão de Titã, a partir de uma ascensão análoga à ZCIT da Terra.^[101]

Notas

↑ Uma circulação termicamente direta exibe, em média, ar ascendente sobre regiões mais quentes e ar descendente sobre regiões mais frias, resultando na adição de calor a uma pressão mais alta do que quando o calor é removido. Isso difere de uma circulação termicamente indireta, na qual a entrada de energia mecânica permite que o ar suba sobre regiões mais frias e desça sobre regiões mais quentes. A refrigeração é análoga a uma circulação termicamente indireta.^[3]
↑ Movimentos meridionais ocorrem na direção norte ou sul, ao longo das linhas de longitude, enquanto movimentos zonais ocorrem na direção oeste ou leste, ao longo das linhas de latitude.

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