O que são os Vórtices de Von Kármán?

Em várias regiões próximas de ilhas ao redor do mundo, as imagens de satélite capturam quase sempre vórtices atmosféricos bastante intrigantes. Eles são chamados de vórtices de Von Kármán e evidenciam uma região atmosférica em que o escoamento está turbulento.

Vórtices de Von Kármán
Exemplo de vórtices de Von Kármán visto por satélite nas ilhas de Cabo Verde. Fonte: NOAA

Imagens de satélite animadas em determinadas regiões de ilhas ao redor do mundo quase sempre mostram um mesmo tipo de fenômeno atmosférico intrigante: nuvens em forma de vórtices.

No passado os vórtices na atmosfera foram observados por Leonardo da Vinci (século XVI). Mas no século XX, o cientista físico Bernard T. Von Kármán (1881-1963) realizou um experimento que identificou vórtices num fluído.

O experimento consistiu em posicionar um objeto cilíndrico ao longo de um determinado escoamento, onde foi possível verificar o desenvolvimento de vórtices. Von Kármán verificou na atmosfera o mesmo efeito obtido em seu experimento. Em homenagem ao cientista, o fenômeno ficou conhecido como “vórtice de Von Kármán”.

Devemos lembrar que a atmosfera é um fluído e, portanto, apresenta escoamentos com características tanto laminares como turbulentas. Um escoamento laminar ocorre quando as partículas de um fluído (como o ar atmosférico) se movem ao longo de trajetórias bem definidas em camadas ou lâminas. Já o escoamento turbulento ocorre em um regime caótico das partículas de um fluído, uma vez que elas apresentam trajetórias aleatórias e transferem movimento entre as camadas do fluído.

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Considerando as Ilhas Canárias como no exemplo abaixo, os ventos alísios em superfície ao norte do arquipélago sopram de nordeste de maneira mais laminar. No entanto, ao encontrar as ilhas o vento é forçado a se desviar e adquire características turbulentas (vórtices) a jusante. Os vórtices de Von Kármán atmosféricos são fáceis de serem observados nesta região do oceano Atlântico devido a cobertura de nuvens stratus frequente nesta parte do oceano.

Fisicamente o que explica a geração dos vórtices nesta situação é a diferença de velocidade e pressão que o escoamento é submetido no momento que precisa desviar das ilhas (ocorre cisalhamento do vento e vorticidade).

Uma esteira de redemoinhos ou vórtices de Von Kármán na atmosfera se forma apenas em uma certa faixa de velocidade do vento que dependerá do número de Reynolds (número adimensional que indica se o fluído está em regime turbulento ou laminar).

A frequência dos vórtices produzidos é proporcional à velocidade do escoamento do fluído. Contudo, nem sempre os vórtices apresentam a mesma configuração. O padrão de escoamento associado pode ser encontrado pelo cálculo do número de Strouhal (número adimensional que descreve o mecanismo do fluxo oscilante).