Microfísica das Nuvens Microfísica das Nuvens

O que podemos encontrar dentro de uma nuvem?

Como as nuvens se formam?

• Uma parcela de ar tem que atingir 100% de UR.

• O Vapor tem que condensar ou sublimar.

• E finalmente os hidrometeoros tem que crescer e chegar a tamanhos de mm.

Levantando a parcela de ar

Como descrever o levantamento de uma parcela ar?

1) Parcela de ar não interage com o ambiente:não há troca de massanão há troca de calor

2) Durante o processo de levantamento:a parcela sofreexpansãoadiabática (seco):

PARCELA AINDA NÃO ESTA SATURADA (UR < 100%)

a parcela sofreexpansãoadiabática (seco):

Pela 1º lei da termodinâmica temos que du = dq – dwPorém como dq = 0(processo adiabático)

� du = -dw

� Γd = dT/dz = -g/c p = -9,8ºC/km

PARCELA ATINGE A SATURAÇÃO, OU SEJA, A UR = 100%

Isto implica em dq ≠ 0, uma vez que ocorre liberação de calor latente devido a condensação (T ≥ 0oC) ou a sublimação (T ≤ 0oC) do vapor d´água.

O calor dq = -Ldws onde L é o calor latente liberado e O calor dq = -Ldws onde L é o calor latente liberado e dws é o conteúdo de vapor d´água condensado/sublimado.

kmC

TcR

wL

TR

Lw

dz

dT o

p

s

s

ds /6

´1

´1

2

2−≅

+

+Γ=−=Γ

ε

-9,8C/km

- 6 C/km

LCL=NCL = Nível de Condensação por Levantamento

LFC=NCF = Nível de convecção livre

CAPE = Energia Potencial Convectiva Disponível

CINE= Energia Convectiva de Inibição

Movimentos verticais: Convecção

• Convecção está associada a movimentos verticais de elementos de ar.

• Esses movimentos podem ser provenientes das forças de empuxo e mecânica que são uma maneira eficiente de transportar calor, massa e maneira eficiente de transportar calor, massa e momento verticalmente.

• Convecção através da força de empuxo está associada à formação de nuvens cumulus (convectivas) e representa a conversão de energia térmica em cinética.

Velocidade Vertical

• Para estimar a velocidade vertical utilizamos a teoria da parcela descrita pela força de empuxo

)'

'(

2

2

T

TTg

dt

dz −=

onde T e T’ são as temperaturas da parcela e do ambiente, respectivamente, e a parcela não interage com o ambiente e a pressão se ajusta instantaneamente com a pressão do ambiente

'Tdt

Saturação: Mudança de Fase

• Equação de Clausius-Clapeyron

Evaporação X Condensação

As moléculas de água estão constantemente saindo e voltando àsuperfície de água líquida:

Evaporação: mais moléculas deixam a superfície água do que aderem

Condensação:mais moléculas aderem a superfície água do que deixam

Pressão de vapor (e): pressão exercida pelo vapor d'água contra asuperfície de água líquida

Evaporação X Condensação

• Quando o equilíbrio é alcançado, as taxas de condensação e evaporação são iguais e a temperatura do ar e do vapor se igualam a do liquido.

• Portanto não há transferência liquida de uma fase para a outra. uma fase para a outra.

• Logo o ar acima do liquido é dito saturado em relação ao vapor d’água.

)12( αα −=

T

L

dT

de vs

)32( αα −=

T

L

dT

ide ss

>0

>0

Equação de Clausius-Clapeyron

)31( αα −=

T

L

dT

de fsf < 0

Integrando a equação temos a Pressão Vapo de Saturação para a transição vapor/liquido:

−=TToR

Lee

v

vsos

11expEs0 = 6,11 mb

T0 = 273,15 K

Formação das gotículas de águaFormação das gotículas de água

Durante a formação de gotículas pequenas temos que a barreira de energia livre é alta e a fase de transição não ocorre geralmente no equilíbrio de saturação da água.

Basicamente se uma amostra de ar úmido for resfriado adiabaticamente até o ponto de equilíbrio de saturação da água, adiabaticamente até o ponto de equilíbrio de saturação da água, não devemos esperar a formação de gotas.

Na verdade, o vapor de água puro começa a condensar Na verdade, o vapor de água puro começa a condensar somente quando a umidade relativa alcançar algumas somente quando a umidade relativa alcançar algumas centenas (>>100%) !!!!!centenas (>>100%) !!!!!

A presença de partículas (aerossóis) de tamanho de mícron e sub-mícron que tem afinidade com a água servem como centros de condensação (núcleos de condensação - CCN).

O processo no qual as gotas de água se formam em núcleos a partir da fase vapor é conhecido como nucleação nucleação heterogêneaheterogênea .

A formação de gotas a partir do vapor em um ambiente puro (sem aerossóis), o qual requer uma super-saturação e não é puro (sem aerossóis), o qual requer uma super-saturação e não é muito importante na atmosfera, é conhecido como nucleação nucleação homogêneahomogênea .

Diferentes tipos de CCN estão presentes na atmosfera (centenas a milhares per m3) e alguns tornam-se molhados a UR inferior a 100%.

A medida que o ar úmido é resfriado em um levantamento adiabático, a UR se aproxima dos 100% e os CCNs começam a ser ativados.

Se o levantamento do ar úmido continuar temos uma Se o levantamento do ar úmido continuar temos uma super-saturação, que é usada para condensar sobre os CCNs.

A super-saturação é quando a UR excede o valor de equilíbrio de 100%. Logo uma parcela de ar com uma umidade relativa de 101.5% terá uma super-saturação de 1.5.

Nas nuvens, existem núcleos suficientes que não deixam a super-saturação crescer a valores acima de 1%.

Se uma nuvem com gotículas de água continuar aascender e atingir temperaturas inferiores a 0oC, temos que asgotículas de água não se congelam imediatamente (gotasgotas dedeáguaágua supersuper--resfriadas)resfriadas)..

Para gotas de água pura, o congelamento homogêneoPara gotas de água pura, o congelamento homogêneoocorrerá somente quando a temperatura atingir –40oC.

Por outro lado, o vapor agora sublima e forma cristais degelo.

Uma nuvem tem uma concentração de várias centenas de gotículas de água ou cristais de gelo por cm3 com raio ~ 10 µm.

A precipitação se desenvolve quando a população de gotículas de nuvens torna-se instávelinstável , onde algumas gotículas crescem partir do custo das outras.

Existem dois mecanismos os quais a micro-estrutura da Existem dois mecanismos os quais a micro-estrutura da nuvem pode se tornar instável:

1) Colisão direta e ou seguida de coalescência (se juntam) 1) Colisão direta e ou seguida de coalescência (se juntam) de gotas de água e podem ser importantes em qualquer nuvem.de gotas de água e podem ser importantes em qualquer nuvem.

2) Interação entre gotas de água e cristais de gelo e está 2) Interação entre gotas de água e cristais de gelo e está confinado à nuvens que tem topos que excedem temperaturas confinado à nuvens que tem topos que excedem temperaturas inferiores à 0inferiores à 0ooC.C.

Quando cristais de gelo existem na presença de um grande número de gotas de água super-resfriadas a situação é imediatamente instável.

A pressão de vapor de equilíbrio sobre o gelo é A pressão de vapor de equilíbrio sobre o gelo é menor que sobre a água sob a mesma temperatura e menor que sobre a água sob a mesma temperatura e conseqüentemente os cristais de gelo crescem por conseqüentemente os cristais de gelo crescem por difusão do vapor e as gotas evaporam para compensar .difusão do vapor e as gotas evaporam para compensar .

A transferência de vapor depende da diferença entre a pressão de vapor de equilíbrio da água e do gelo e é mais eficiente a temperaturas de ~ -15oC.

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

-30 -28 -26 -24 -22 -20 -18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0

Temperatura (C)

Pre

ssao

de

Vap

or (

mb)

ES-Ei

Uma vez que os cristais de gelo cresceram por difusão a tamanhos apreciáveis e maiores que as gotículas de água, eles começam a cair relativamente em relação a elas e colisões tornam-se possíveis.

Se as colisões são basicamente entre cristais de gelo, cristais de gelo, flocos de neve se formamflocos de neve se formam . Se gotas de água são coletadas, pedras de gelo pequeno ou granizo podem se formar.

Uma vez que as partículas caem abaixo da isoterma de 0oC, o derretimento pode ocorrer e as partículas que emergem a partir da base da nuvem como gotas de chuva são indistinguíveis das que foram formadas por colisão/coalescência.

DimensDimens ãão das Parto das Partíículasculas

1) A gota embriônica estará estável se o tamanho exceder um valor crítico.

2) Na média, as gotas maiores que um tamanho crítico

Nucleação de água líquida a partir de vapor d'água

Qual é a chance real de colisões e agregações de moléculas deQual é a chance real de colisões e agregações de moléculas deágua levar a formação de gotas embriônicas que estejam estáveiságua levar a formação de gotas embriônicas que estejam estáveise continuem a existir sob uma dada condição ambiente?e continuem a existir sob uma dada condição ambiente?

2) Na média, as gotas maiores que um tamanho crítico crescerão, enquanto que as menores irão diminuir.

3) O que determina o tamanho crítico é o balanço entre as taxas opostas de crescimento (condensação) e decaimento (evaporação).

4) Estas taxas, dependem se a gota se forma em um espaço livre (nucleação homogêneanucleação homogênea) ou em contato com outro corpo (nucleação heterogêneanucleação heterogênea).

A pressão de vapor de equilíbrio sobre a superfície de uma gota depende da sua curvatura e é dada por:

- es(r): pressão de vapor de saturação sobre a superfície de uma gota esférica de raio “r”

- σ: tensão superficial

Eq. de KelvinEq. de Kelvin

∞=TrR

ereLv

ss ρσ2

exp)()(

- ρL, T e Rv: densidade água líquida, temperatura, e constante dos gases para o vapor d’água

- es(∞) é a pressão de vapor de saturação sobre a água (esta é a variável mais facilmente medida).

r r eess(r)(r)

e : pressão de vapor ambiente

(Taxa de crescimento) α e – es(r)

e < ee < ess(r)(r) �� evaporação (gota diminue)evaporação (gota diminue)

e > ee > ess(r)(r) �� condensação (gota cresce)condensação (gota cresce)

Assim quando e = es(r), a gota estará em equilíbrio e o raio crítico rcserá:

- S = e/ es(∞): razão de saturação

r < rr < r cc �� evaporação (gota diminue)evaporação (gota diminue)

r > rr > r cc �� condensação (gota cresce)condensação (gota cresce)

r c=2σ

Rv ρLT ln S

A tabela acima mostra que são necessárias altas super-saturações para que pequenas gotículas se tornem estáveis. Por exemplo, quando a super-saturação é de 1%, S = 1.01, as gotas com raio menor que 0.121 µm são instáveis e tenderão a evaporar.

Logo, o que é necessário para diminuir a Logo, o que é necessário para diminuir a SScc ( ou e( ou ess(r(r cc) ) e ) ) e formar então uma gota????formar então uma gota????

Adição de soluto!!!!! -Nucleação heterogêneaNucleação heterogênea

Partículas higroscópias: CCN – Cloud Condensation Nuclei

Como resultado, a gota da solução pode estar em equilíbrio Como resultado, a gota da solução pode estar em equilíbrio com o ambiente a uma supercom o ambiente a uma super--saturação bem menor que a da saturação bem menor que a da

gota de água pura de um mesmo tamanho.gota de água pura de um mesmo tamanho.

Efeito da Curvatura

e do Soluto33

111r

b

r

a

r

a

r

b

e

e

s

hr −+=

+

−=

Eq. Kohler

Raio e Saturação Crítica

bad

dr

dS

e

e

dr

d

s

hr

01

0

= −+

==

b

aS

a

br

r

b

r

a

dr

d

27

41

3

01

3*

*

3

+=

=

=

−+

Curvas de Kohler

Crescimento por CondensaçãoDifusão de Vapor Condução de Calor

tS

rtr

tcc

Srtr

dtcc

Srdr

cc

S

dt

drr

e

e

br

sr

r

)1

(2)(

)21

1(2)(

21

1

21

1

1

2

20

2

00

−+=

+−+=

+−==>

+−=

=>=

∫∫

Somente o efeito de

Curvatura

Solução implica em Lei t

cc

Srtr )

21

1(2)( 2

0 +−+=

Levando em conta o efeito

do Soluto

implica em Lei Parabólica

Como as gotas crescem dentro dessas Como as gotas crescem dentro dessas parcelas de ar?parcelas de ar?

Deve haver colisão + coalescência!!!

Colisões podem ocorrer a partir de diferentes respostas das gotículas com as forças: gravitacional, elétrica e aerodinâmica.

O efeito gravitacional predomina nas nuvens: gotas grandes caem mais rápido que as pequenas, logo passando e capturando uma fração das gotículas que ficam ao longo do seu caminho.

O efeito elétrico e turbulento necessário para produzir um número comparável de colisões, é muito maior que usualmente existe na natureza, apesar de que campos elétricos intensos em tempestades possam criar efeitos locais significativos

A colisão não garante coalescência, pois quando um par de gotas colide várias interações são possíveis:

1 – Elas podem se rebater a parte;

2 – Elas podem coalescer e permanecer unidas;

3 – Elas podem coalescer temporariamente e se separar, temporariamente e se separar, aparentemente retendo suas identidades inicias;

4 – Elas podem coalescer temporariamente e se quebrar em várias gotículas menores.

Para tamanhos menores que 100 microns em raio as interações (1) e (2) são as mais importantes

Crescimento da Gota a partir da colisão seguida de coalescência:

( ) ( ) ( ) ll

WrREVV

R

rR

dt

dR,

412

2

2

ρ−+=

R/V2 -> raio e velocidade de queda da gota coletorar/V1 -> raio e velocidade de queda da gota coletadaE � eficiência de colisão e coletaWl � conteúdo de água líquida ρl � densidade da água.

11oo caso:caso:gotas iguais (r=10gotas iguais (r=10µµm)m) �� devagar, devagar, não preciptia.não preciptia.

22oo caso:caso:coletora com 2x mais massacoletora com 2x mais massa��gota precipita!gota precipita!

U:U: gota chega a níveis mais altos, maisgota chega a níveis mais altos, maistempo dentro da nuvem. tempo dentro da nuvem.

Nc(cm-3)=105 S0.63

Nc(cm-3) = 1450 S0.84.

Como são formados os cristais de Como são formados os cristais de gelo dentro dessas parcelas de ar?gelo dentro dessas parcelas de ar?

Quando a parcela atinge T < 0oC:

Gotículas superesfriadas até T ~ -40oC

Congelamento de gotículas

Sublimação

Se vapor na nuvem esta saturado em relaçãoà água líquida, estará supersaturado em relação ao gelo:

es-líq(r) > es-sól(r)

Crescimento ~ dezenas microns em alguns minutos

Nucleação heterogênea:Nucleação heterogênea:

Ocorre sobre núcleos de condensação de gelo: IN – Ice Nuclei

Deposição heterogênea:Deposição heterogênea:

-- sublimação (deposição vapor)sublimação (deposição vapor)

-- condensação condensação �� congelamentocongelamento

---- contato contato �� congelamentocongelamento

---- imersão imersão �� condensação condensação ��congelamentocongelamento

Núcleos de GeloNúcleos de Gelo

Diagrama que esquematiza as possíveis situações entre e, es, e ei em uma nuvem com fase mista:

(a) e > es e e > ei � processo onde tanto as gotas liquidas como as particulas de gelo crescem;

(b) e < es e e > ei � processo onde as gotículas líquidas evaporam e as gotículas líquidas evaporam e as partículas de gelo crescem – processo de WBF;

(c) e < es e e < ei � processo onde tanto as gotículas de água como as particulas de gelo evaporam.

Korolev, JAS 2006.

ColunaDendriteAgulhaDendrite – Prato SimplesDendrite EstrelarRimeGraupelGranizo

Habitat dos Cristais de Gelo

Prismas simples

Pratos estelares

Pratos setorias

Dendrites estelares

Dendrites estelares tipo samambaia

Colunas ocas

agulhas

Coluna com chapeu ou limitada

Pratos duplos

Pratos separados ou estrelas

Cristal triangular

Floco de neve com 12 lados

Balas de roseta

Dendrites espalhadores

Cristal que se congela – rime/graupel

Cristal irregular

Neve artificial

Crescimento de Cristais de Gelo versus o de Coalesc ência