Análise experimental e numérica das causas de dissimilaridade entre escalares na camada limite atmosférica

Abstract

Resumo: Estudos relacionados com a camada limite atmosférica (CLA) são de fundamental importância para as mais diversas análises relacionados ao meio ambiente, como por exemplo, em dispersão atmosférica, meterologia, e hidrologia. Nesses casos é comum supor que as flutuações turbulentas de dois escalares quaisquer possuem comportamento similar. Essa suposição, conhecida como hipótese de similaridade, é uma consequência da Teoria de Similaridade de Monin-Obukhov, a qual é válida para a camada limite superficial. Sob esta hipótese, todas as funções de similaridade relacionadas aos escalares em questão devem ser iguais. No entanto, resultados experimentais mostram que isso nem sempre ocorre sob condições instáveis, e é difícil identificar as causas da dissimilaridade uma vez que não há um controle sobre o que acontece na atmosfera. Nesse sentido, o objetivo deste trabalho foi analisar causas de dissimilaridade através de dados experimentais (que permitem estudar a similaridade entre escalares na região da camada limite superficial) medidos sobre o Lago de Furnas (Brasil), e de resultados de simulações de grandes vórtices (que permitem analisar toda a camada limite atmosféricas). A partir dos dados experimentais obteve-se uma relação entre a similaridade de temperatura e umidade específica e a intensidade dos forçantes superficiais. O equilíbrio clássico entre produção por gradiente e taxa de dissipação molecular da variância dos escalares, e de sua covariância, foi cofirmado. Observou-se que esse equilíbrio é uma condição necessária para que haja similaridade entre os escalares, e ele pode ser violado quando os termos de transporte são grandes, e possivelmente quando há não-estacionariedade. Um conjunto de números adimensionais | números de fluxo de escalar | capaz de diagnosticar o equilíbrio (ou não) entre a taxa de dissipação e o gradiente de produção foi proposto. O fato de que diferentes funções de similaridade não são igualmente capazes de identificar similaridade também é demonstrado, e um novo indicador de similaridade é proposto. Também verificou-se que a dissimilaridade nas baixas frequências tem um impacto maior sobre a similaridade entre os escalares do que sobre a similaridade entre seus fluxos. Simulações de grandes vórtices representativas de entranhamento de fluxos no topo da camada limite atmosférica, e de superfície heterogênea foram analisadas. Os resultados das simulações mostram claramente que fluxos de entranhamento com sinais opostos reduzem a correlação entre os escalares dentro de toda a camada limite atmosférica: na parte mais alta da camada de mistura essa redução é causada por alterações tanto nas variâncias quanto na covariância, e está distribuída em todas as escalas resolvidas; na região mais próxima à superfície, há um aumento na variância do escalar somente nas grandes escalas. O equilíbrio entre taxa de dissipação e gradiente de produção também foi analisado e cofirmado. A partir das simulações numéricas para superfície heterogênea constatou-se que quanto maior a heterogeneidade menor é a correlação entre os escalares na região da camada limite superficial. Acima dela os escalares ficam próximos da similaridade perfeita, o que indica que em situações reais outras causas de dissimilaridade devem ser consideradas.