Novembro 2012

Aula 12: Introdução a física das

nuvens e da precipitação

BC 1106 Ciências Atmosféricas

Profa. Dra. María Valverde maria.brambila@ufabc.edu.br

Física da Nuvens

Estas forças são:

- Empuxo associado a presença de parcelas de ar quente

e úmido, flutuantes em um ambiente atmosférico mais

frio e seco.

- A força da gravidade, isto é o peso das parcelas,

- As forças de arrasto aerodinâmico

- A convergência do escoamento horizontal do vento

O empuxo força que age de

baixo para cima, contrária à

gravidade

Arrastro força de resistência ou atrito.

A física das nuvens e da precipitação trata da

dinâmica das nuvens, ou seja, estuda a dinâmica

das forças que acabam definindo os diferentes

tipos de nuvens e sistemas precipitantes.

Nuvens As nuvens constituem o efeito visível de uma série de fatores

dinâmicos e termodinâmicos que se produzem na atmosfera.

Em qualquer momento, cerca de metade da superfície do

planeta encontra-se coberta de nuvens com espessuras

bastante variadas. Todas estas nuvens sofrem grandes

variações tanto no tempo como no espaço e algumas têm

usualmente uma duração efémera. Um Cumulonimbo pode

desenvolver-se tão rapidamente após o seu aparecimento ao

igual que uma pequena nuvem, já poderá ter uma extensão

vertical na ordem dos 10 Km ou mais, passada mais uma hora.

Origem da Nuvem

.

A origem de uma nuvem está no calor que

é irradiado pelo Sol atingindo a superfície

de nosso planeta. Este calor evapora a

água que sobe por ser menos denso que

o ar ao nível do mar. Ao encontrar regiões

mais frias da atmosfera o vapor se

condensa formando minúsculas gotinhas

de águas que compõem então as nuvens.

A natureza de qualquer tipo de nuvem que

exista é a mesma do vapor d’água. São

gotículas de água líquida, muito

pequenas para caírem pois o peso de

cada uma delas é equilibrado por um

fenômeno físico chamado tensão

superficial, no caso, do ar. É o mesmo

efeito que mantém o pó a flutuar no ar.

Equilíbrio das forças

Gotas de água, por exemplo, são caracterizadas por uma

força de tensão superficial grande. Para as gotas se

formarem por condensação a partir do vapor e se manter

em suspensão, a tensão superficial deve exceder o forte

gradiente da pressão de vapor.

Uma nuvem é composta de gotas bem pequenas,

usualmente com uma concentração de várias centenas

por centímetro cúbico e com raio de ~ 10 mm.

Importância

A Física de Nuvens tem um papel destacado: entender as

nuvens, saber como elas se formam e sua constituição

interna, bem como a sua dinâmica é extremamente

importante para melhorar os modelos de previsão

numérica de clima e tempo, e consequentemente a

previsão da ocorrência da precipitação.

Microfísica das Nuvens

Na microfísica, o estudo mostra a

importância fundamental dos

núcleos de condensação de

nuvens (CCN, cloud condensation

nuclei) e dos núcleos de

condensação de gelo (ICN, ice

condensation nuclei) para a

formação de gotículas e micro

cristais de gelo.

A microfísica de gotas e cristais

debruça-se no estudo dos

processos de formação das

gotículas de nuvens, gotas de

chuva, cristais de gelo e granizo

(diâmetro, curvatura, tamanho,

etc.)

Formação de nuvens

CONDENSAÇÃO

Tar < Td

+ VAPOR H2O é

adicionado ao ar

SUPERFÍCIE SOBRE A

QUAL O VAPOR D’ÁGUA

SE CONDENSA

Solo

Núcleos de

condensação

orvalho

nevoeiro

nuvens

Td T do ponto de orvalho

Processo físicos de formação

Condições que têm de se verificar para que uma

nuvem se forme são:

1. Existência de núcleos de condensação;

2. Existência de umidade;

3. Arrefecimento (esfriamento) do ar até a

temperatura de saturação;

4. Processo que eleve o ar: convecção,

convergência, elevação topográfica e

levantamento frontal.

1. Classificação dos NC:

Núcleos de condensação de gotículas de agua.

Os núcleos de condensação de nuvens são ativos

(isto é, promovem condensação) em temperaturas

tanto acima como abaixo da temperatura de

congelamento porque gotículas de água condensam

e permanecem líquidas mesmo quando a

temperatura da nuvem está abaixo de 0° C. Estas

são as gotículas de água superesfriadas.

Núcleos de formação de gelo são menos abundantes e

tornam-se ativos apenas em temperaturas bem abaixo

do congelamento. Há dois tipos de núcleos de formação

de gelo:

núcleos de congelamento, que causam o congelamento de

gotículas e tornam-se ativos, na maioria das vezes, abaixo

de -10° C, e

núcleos de deposição (também chamados núcleos de

sublimação), sobre os quais o

vapor d’água deposita diretamente como

gelo. Estes se tornam completamente

ativos, na maioria das vezes, abaixo de

-20° C.

De onde vêm os NC?

Nem todas as partículas atmosféricas são núcleos de condensação de

nuvens (NCN). Bons NCN são higroscópicos. Muitas partículas de

sais e de ácidos são encontradas na atmosfera.

• NCN naturais

– partículas de sal marinho (NaCl)

– Partículas produzidas por emissões biogênicas de enxofre

– Produtos da queima da vegetação

• NCN de atividades humanas

– Poluentes da combustão de materiais fósseis reagem na atmosfera e

formam ácidos e sais.

– Dióxido de enxofre reage para formar ácido sulfúrico e sais de sulfato

de amônia

– Óxidos de nitrogênio reagem para formar ácido nítrico que podem

combinar com amônia e formar partículas de nitrato de amônia.

4. Causas para a elevação do ar.

Convecção térmica Nuvens convectivas.

Chama-se convecção térmica ao transporte de calor por

movimentos verticais do ar. Estes movimentos estão

diretamente relacionados com a estabilidade do ar.

Se há instabilidade, desencadeando o movimento vertical,

o ar continua a mover-se até que essa instabilidade

termine. No seu movimento ascendente a massa de ar irá

arrefecer até alcançar o nível de condensação - nível a

partir do qual se começa a formar a nuvem - ocorrendo aí

a saturação. As nuvens assim formadas podem atingir

níveis bastante elevados na atmosfera e são conhecidas

por nuvens convectivas ou de desenvolvimento vertical.

Causas para a elevação do ar.

Os principais processos que podem levar â formação das

nuvens convectivas são:

Aquecimento do solo por radiação solar directa;

Aquecimento, pela base de uma massa de ar frio

que se move sobre uma superfície mais quente.

Convergência: Nesse processo, o ar

convergindo numa determinada região, é forçado

a elevar-se porque não pode ir para baixo. É o

que acontece nas regiões de baixa pressão.

Assim pode resultar na formação de nuvens do

tipo cirrostratus, pois o movimento ascendente de

ar é mais fraco do que o associado à convecção

e, as nuvens que se formam, são menos

desenvolvidas verticalmente do que as

associadas a processos de convecção.

Causas orográficas Nuvens Orográficas

Quando os ventos horizontais são barrados numa

montanha, o ar é forçado a subir. Se o ar que se

eleva resfriar até atingir a temperatura de orvalho, ou

menores, poderá condensar e formar uma nuvem

orográfica.

Os tipos de nuvens formados dependem da altura do

obstáculo, da umidade e da estabilidade do ar. Para

elevações menores que 2000 metros, podem formar

Stratocumulus; para elevações médias acima de

2000 metros, pode formar Altocumulus.

Causas frontais Numa Frente Fria, o encontro entre

massas de ar de diferentes temperaturas e umidade, faz

com que o ar mais quente ascenda por cima do ar frio que

por ser mais denso, tende a ficar perto do solo. No caso de

uma Frente Fria se aproximando, o ar mais frio eleva o ar

quente à sua frente e este vai esfriando a medida que é

obrigado a subir. Desde que seja suficientemente úmido, o

ar quente condensa formando Cumulus, e posteriormente

Cumulonimbus. Os ventos em altitudes mais altas sopram

no topo da Cumulonimbus, gerando Cirrus e Cirrostratus

que anunciam a chegada da frente. No caso da Frente

Quente, o ar quente por ser menos denso que o ar frio,

sobe acima do ar frio. Muitas vezes, uma camada de Cirrus

é observada a mais 1000 quilômetros da frente quente, ou

seja, aproximadamente umas 48 horas antes dela chegar.

Daí surge Cirrostratus e Altostratus. Na seqüência surgem

nuvens do tipo Stratus e Nimbostratus.

Convecção

Orográficas

Frontais

Baixa pressão

Estrutura Vertical da Nuvem

Formação da Nuvem : Estrutura Vertical

Dissipação da Nuvens Chuvas

As nuvens dissipam-se em presença de correntes

verticais descendentes. Ao descer, a massa de

ar aquece adiabaticamente e as gotículas de água

que constituem as nuvens evaporam-se. A este

movimento descendente, em grande escala, dá-se

o nome de subsidência e é um fenômeno típico

dos anticiclones (altas pressões).

Outros fatores que podem contribuir para a

dissipação das nuvens são a precipitação,

mistura com ar mais seco da vizinhança da

nuvem e a insolação.

Formação da Nuvem e a chuva

Coalescencia: Nuvens Quentes:

Td<T< 0C

Processo de Bergeron: Nuvens

Frias, T<0C

Nuvem e Precipitação

Dentro de todas as nuvens, os processos de

condensação e agregação produzem partículas de

grandes dimensões. A precipitação acontece

quando algumas dessas partículas atingem uma

dimensão tal que passam a cair, fora das nuvens e

das correntes ascendentes que as sustentam. Se as

partículas são capazes de sobreviver a

evaporação que elas experimentam quando caem

através do ar insaturado abaixo das nuvens, a

precipitação atinge a superfície.

Nuvem e Precipitação

A dimensão das partículas de chuva é parcialmente

determinada pela intensidade da corrente

ascendente que produz a nuvem e pela umidade

da camada abaixo dela. Grandes nuvens de

camada extensa são associadas a correntes

ascendentes usualmente menores que 50 cm

seg-¹, de modo que gotas com raios excedendo

80μm podem produzir precipitação e aproximar-

se da superfície.

1μm = 10-3 milímetros micrometro

Correntes Ascendentes

Precipitação

A precipitação pode apresentar diversas formas:

Chuva - Precipitação contínua de água liquida cujas gotas têm

um diâmetro superior a 0,5 mm;

Chuvisco - Precipitação bastante uniforme de gotas de água

muito unidas e de diâmetros inferiores a 0,5 mm;

Neve - Precipitação de cristais de gelo que na sua maioria são

ramificados (cristais de gelo em flocos);

Granizo - Precipitação de grãos de gelo de diâmetro inferior a 5

mm;

Chama-se precipitação à água que, sob a forma sólida ou

liquida, atinge a superfície da Terra procedente das nuvens.

A precipitação se desenvolve quando a população de

gotículas de nuvens torna-se instável, e

consequentemente algumas gotículas crescem partir do

custo das outras.

Formação da Precipitação

Existem dois mecanismos os quais a micro-estrutura da

nuvem pode ser instável:

A primeira é a colisão direta e ou seguida de coalescência

(se juntam) de gotas de água e podem ser importantes em

qualquer nuvem.

O segundo mecanismo requer a interação entre gotas de

água e cristais de gelo e está confinado à nuvens

que tem topos que excedem temperaturas inferiores à

0oC.

- Processo da colisão/coalescência;

- Processo do cristal de gelo;

O processo da colisão/coalescência

Ocorrem em nuvens quentes. Cujas temperatura estão

acima do ponto de congelamento (0°C) (Apesar dos

topos geralmente se encontrar com T > –15°C)

Neste caso, e na presença de gotas de diferentes

tamanhos, as gotas maiores crescem à custa das

gotas mais pequenas, quer por choque e acreção

(junção das gotas) quer por coalescência na

presença de gotas maiores as gotas pequenas

evaporam e o seu vapor de água vai-se condensar

sobre as maiores. Este processo ocorre

principalmente em nuvens estratiformes.

O processo da colisão/coalescência.

Necessidades:

1) Deve haver uma grande quantidade de água líquida

dentro da nuvem.

2) Devem existir fluxos ascendentes suficientemente

fortes na nuvem.

3) Um grande espectro de tamanhos de gotículas é

muito útil.

4) A nuvem deve ser espessa o suficiente para que as

gotículas tenham tempo suficiente para atingir gotículas

maiores.

(Thomson, 2000)

(Lutgens 1992)

Gotículas maiores implicam em

velocidades maiores e mais

colisões. Em média, são

necessárias 1.000.000 de gotículas

para formar uma gota de chuva.

Rgotíc ~ 20μm << fio de cabelo

(75μm)

captura direta

captura de retaguarda (Deve-se à região de menor

resistência formada pela divergência

das linhas de corrente formadas por

onde a gota passa)

Processo de Bergeron: O processo do cristal de gelo

Ocorre em nuvens frias, onde a temperatura é inferior a 0º C.

Neste caso há coabitação de gotas de água sobrefundidas e

de cristais de gelo. Devido aos movimentos verticais dentro

da nuvem os cristais de gelo vão crescendo à custa das gotas

de água, quer por contacto de ambos, quer por sublimação

das gotas que se evaporam sobre os cristais de gelo. Quando

as correntes ascendentes já não podem suportar o peso dos

cristais de gelo estes caem na Terra sob a forma de

precipitação. Dependendo das temperaturas do ar que vão

encontrar no seu trajeto podem ou não derreter antes de

chegar ao solo. Este processo ocorre principalmente em

nuvens cumuliformes.

Processo de Bergeron → ocorrem em nuvens frias (T < 0°C)

Deve-se às seguintes propriedades da água:

gotículas de nuvem não congelam a 0°C como se

esperaria. De fato, água pura suspensa no ar não congela

até atingir uma temperatura em torno de –40°C. Assim,

nuvens com T entre 0 e -10° C são tipicamente compostas

de gotículas de água superesfriada. Entre -10° C e -20° C

gotículas líquidas coexistem com cristais de gelo. Abaixo

de -20° C, a temperatura de ativação de muitos núcleos de

deposição, as nuvens usualmente consistem inteiramente

de cristais de gelo.

A pressão de vapor de saturação sobre cristais de gelo

(sólidos) é muito menor que sobre gotículas de água

superesfriada. Nos sólidos as moléculas são mantidas

juntas mais firmemente e, portanto, é mais fácil para as

moléculas de água escapar de gotículas líquidas

superesfriadas. Por isso, as pressões de vapor de

saturação são maiores sobre as gotículas líquidas

superesfriadas que sobre os cristais de gelo.

acreação: Durante a

descida os cristais de gelo

aumentam à medida que

interceptam gotículas

superesfriadas de nuvem

que congelam sobre eles.

É a formação do granizo.

agregação: Crescimento

por colisão no qual um

cristal se adere aos outros,

formando cristais maiores,

que são os flocos de neve.

Tipos de precipitação

Precipitação convectiva. As nuvens de

desenvolvimento vertical ou convectivas, Cu e Cb,

dão normalmente precipitação sob a forma de

aguaceiros e granizo.

- precipitação liquida

- precipitação solida granizo

Tipo de precipitação

Precipitação frontal. A precipitação frontal apresenta

diversas formas consoante o tipo de frente a que está

associada: Assim, tratando-se de uma

frente fria cuja nebulosidade é predominantemente

cumuliforme, a precipitação ocorre sob a forma de

aguaceiros e chuva forte à passagem da superfície

frontal.

frente quente, cuja nebulosidade é essencialmente

estratiforme, predomina a chuva e o chuvisco.

frente oclusa ocorre normalmente a precipitação sob a

forma de aguaceiros, chuva e chuvisco, visto o tipo de

nebulosidade predominante ser o das frentes quente e

fria simultaneamente.

Precipitação Orográfica

Quando o fluxo de ar encontra no

seu caminho um sistema

montanhoso, é forçado a subir a

barlavento, descendo depois a

sotavento. Como consequência, a

nebulosidade concentra-se a

barlavento, enquanto que a

sotavento a descida do ar com o

consequente aquecimento, dissipa

as nuvens. Assim, as grandes

quantidades de precipitação nas

regiões montanhosas ocorrem

sempre a barlavento.

Sobre a precipitação

Chuva quente: quando a água aparece apenas na fase líquida no processo de formação da precipitação.

Chuva fria: quando cristais de gelo estão envolvidos no processo de formação. Independe da temperatura que a chuva atinge o solo

Gotas de chuva podem crescer até 6 mm de diâmetro, quando sua velocidade terminal é de 30km/h. Neste tamanho e velocidade, a tensão superficial da água, que a mantém inteira, é superada pela resistência imposta pelo ar, que acaba "quebrando" a gota. As pequenas gotas resultantes recomeçam a tarefa de anexar gotículas de nuvem. Gotas menores que 0,5 mm ao atingir o solo, são denominadas chuvisco e requerem em torno de dez minutos para cair de uma nuvem com base em 1000 m.

Gotas de chuva produzidas em nuvens quentes são usualmente menores que aquelas de nuvens frias. De fato, raramente as gotas de chuva de nuvens quentes excedem 2 mm de diâmetro. O crescimento das gotas através de uma combinação do processo de Bergeron mais colisão-coalescência (em nuvens frias) produz gotas maiores que o processo de colisão-coalescência sozinho (em nuvens quentes).

(Fonte: Apostila de Meteorologia, Alice Grimm)

Medida de precipitação

A medida da chuva é feita pontualmente em estações

meteorológicas, tanto automáticas como

convencionais. O equipamento básico para a medida

da chuva é o pluviômetro, o qual tem diversos tipos

(formato, tamanho, sistema de medida/registro).

Medida de precipitação

A unidade de medida da chuva é a altura pluviométrica (h),

que normalmente é expressa em milímetros (mm). A altura

pluviométrica (h) é dada pela seguinte relação:

h = Volume precipitado / Área de captação

Se 1 litro de água for captado por uma área de 1 m2, a

lâmina de água coletada terá a altura de 1mm.

Em outras palavras, 1mm = 1L/1m2. Portanto, se um

pluviômetro coletar 30 mm, isso corresponderá a 30 litros

por 1m2.

h = 1L / 1m2 = 1.000 cm3 / 10.000 cm2 = 0,1 cm =

1mm

Pluviômetro

O pluviômetro é mais utilizado

devido à simplicidade de sua

instalação, e operação e custo.

No pluviômetro é lida a altura

total de água precipitada, ou

seja, a lâmina acumulada

durante a precipitação sendo

que seus registros são sempre

fornecidos em milímetros por

dia ou em milímetros por

chuva, com anotação dos

mesmos. O pluviômetro é

conceituado por ser um coletor da

água de precipitação, com área

de coleta conhecida.

Pluviografos

O pluviógrafo é mais

encontrado nas estações

meteorológicas propriamente

ditas e registra a intensidade de

precipitação, ou seja, a

variação da altura de chuva

com o tempo. Este aparelho

registra, simultaneamente, a

quantidade e a duração da

precipitação.

Assim qualquer pluviômetro

conectado a um registrador que

indique data e hora é um

pluviógrafo ou pluviômetro

automático.

Bibliografia

• Tim Oke, Boundary Layer Climates, 1966, p. 3

• Iribarne, J.V. & CHO, H.R. Atmospheric Physics. D.

Reidel, 1980, 212p.

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Science. An Introduction Survey. Academic Press.

San Diego, 2001.

• http://www.cptec.inpe.br/glossario.shtml#c

• http://www.fpcolumbofilia.pt/meteo/main065.htm

• http://fisica.ufpr.br/grimm/aposmeteo/cap6/cap6-2-

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