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Consideremos uma camada em que a
condição de estabilidade
não é satisfeita.
Um elemento perturbado que se desloque para cima terá densidade
interna menor do que a do meio circundante. Ele estará
submetido a uma força resultante para cima e em consequência
continuará a se mover para cima,
pelo princípio de Arquimédes
[Arquimédes de Siracusa (287-212 aC)]. Similarmente, um
elemento que se desloque para baixo será mais pesado do
que o meio circundante, e continuará a se mover para baixo.
Portanto, à menor perturbação, iniciam-se movimentos
convectivos em uma camada instável. Que consequências
térmicas resultarão destes movimentos? Um elemento
que se move para cima terá, como vimos, uma densidade
menor do que a do meio. Como sua pressão interna foi
ajustada pela expansão para igualar-se com a do meio,
sua temperatura precisa ser maior do que a do meio,
de acordo com a equação de estado (1.25);
o elemento carrega um excesso de energia térmica
para cima. Similarmente, um elemento em movimento
descendente, com uma densidade maior e portanto uma
temperatura menor, carrega uma deficiência de energia
térmica para baixo. Os dois elementos, ascendente e
descendente, contribuem para o transporte de energia convectivo
para cima.
Este fluxo de energia adicional tem o seguinte efeito na
estrutura de uma camada instável. Assumamos pelo momento
que a camada estava em equilíbrio radiativo precário,
com o fluxo radiativo carregando a energia produzida pelos
processos nucleares. Agora, devido à instabilidade,
movimentos convectivos iniciam-se na camada. O fluxo convectivo
transportará energia térmica das camadas mais baixas para as
mais altas: a temperatura das camadas mais baixas, maior,
decrescerá, enquanto a temperatura das camadas mais
altas, menor, aumentará. Desta forma, o gradiente de
temperatura diminui por causa da convecção. A
redução no gradiente levará a uma imediata redução
no fluxo de radiação, de acordo com a
equação de equilíbrio radiativo (1.51). A
redução no gradiente também diminuirá o fluxo
convectivo, pois uma redução no excesso do gradiente
verdadeiro sobre o gradiente adiabático causa uma
redução no excessos e deficiências de temperatura
dos elementos em movimento, portanto reduzindo
o transporte de energia convectivo. A redução
no gradiente de temperatura por convecção continuará
até que o fluxo radiativo, adicionado ao fluxo convectivo,
alcance o valor que satisfaça exatamente a condição
de equilíbrio térmico (1.26). Neste estágio,
radiação e convecção produzem um fluxo de energia
que carrega para fora exatamente a quantidade de energia
produzida pelas reações nucleares, e não haverá
mais mudança de temperaturas, em qualquer camada.
Desta forma, a instabilidade do equilíbrio radiativo
leva a uma outra condição de equilíbrio,
o equilíbrio convectivo,
em que movimentos convectivos ocorrem pelas camadas.
Detalhe da fotosfera do Sol mostrando as células de convecção, que têm entre 2000 e 5000 km
de extensão e duram entre 5 e 10 minutos.
A convecção é altamente turbulenta e a variação da densidade, grau de
ionização e composição química tornam o problema muito complexo. No Sol,
a camada de convecção se extende radialmente por aproximadamente 200 000 km.
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Modificada em 21 ago 2011