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Equilíbrio Convectivo

Consideremos uma camada em que a condição de estabilidade

$\nabla > \nabla_{ad}$
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 ($ \sim$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.

conveccao
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