EstabilidadeDesenvolvimento das Nuvens

Por que a estabilidade éimportante?

• O movimento vertical é parte crítica no transporte

de energia e influencia intensamente o ciclo

hidrológico

• Sem movimento vertical não haveria precipitação,

mistura dos poluentes – o tempo como o

conhecemos não existiria.

• Existem dois tipos de movimento vertical:– Movimento forçado: ar forçado a subir sobre uma montanha, sobre

o ar mais frio (frentes) ou por convergência horizontal

– Movimento de empuxo: no qual o ar sobe porque é menos densodo que o ar nas vizinhanças – a estabilidade é especialmenteimportante aqui

Estabilidade na atmosfera

Estável Instável Neutra

Se uma parcela de ar é deslocada de sua posição original ela pode:

Retornar à sua altura original - Estável

Acelerar para cima porque ela é leve - Instável

Ficar no lugar para o qual foi deslocada - Neutra

Perturbação inicial

Trocando altitude por calor

Existem dois tipos de energia estática na parcela:

energia potencial (devido à sua altitude) e

entalpia (devido aos movimentos das

moléculas) – 1a Lei da Termodinâmica

pS c T g z

Variação na

energia

estática

Variação na

entalpia

Variação na

energia potencial

gravitacional

Trocando altitude por calor (cont)

• Suponha que uma parcela não troque

energia com a vizinhança ... este estado é

chamado de adiabático, que significa

“nenhum ganho e nenhuma perda de

energia”

g = 9,8 m/s2

cp = 1004 J K-1 kg –1

J = N.m

0 pc T g z

pc T g z

p

T g

z c

“Lapse rate adiabático seco”

Estabilidade e o lapse rate adiabáticoseco

• A estabilidade atmosféricadepende do lapse rate doambiente– Uma parcela com ar não-

saturado resfria de acordocom a adiabática seca

– Se a parcerla de ar está

• mais quente do que o arvizinho, é menos densa e oempuxo acelera omovimento ascendentevizinhança

• mais fria do que o arvizinho, é mais densa e oempuxo força o movimentodescendente

Uma parcela de ar saturado em ascenção

esfria menos do que uma parcela não-

saturada!

• Se uma parcela de ar torna-se satura, ocorre acondensação

• A condensação aquece a parcela de ar devido àliberação de calor latente

• Asim, uma parcela em ascenção aquece menos seestiver saturada

• Define um lapse rate adiabático úmido– ~ 6 oC/1000 m

– não é constante (varia entre ~ 3-9 oC)

– depende de T e P

Estabilidade elapse rate adiabático úmido

• A estabilidade atmosféricadepende do lapse rate doambiente– Uma parcela saturada em

ascenção esfria de acordo com olapse rate adiabático úmido

– Quando o lapse rate doambiente é menor do que olapse rate úmido, a atmosferaestá absolutamente estável

• Observe que o lapse rate seco émaior do que o úmido

– Que tipo de nuvem você esperaque se forme se o ar saturado éforçado a subir numa atmosferaabsolutamente estável?

dry

Quais as condições que contribuem para

uma atmosfera estável?

• Resfriamentoradiativo dasuperfície à noite

• Advecção de ar friopróximo à superfície

• Ar movendo-se sobreuma superfície fria(e.g., neve)

• Aquecimentoadiabático devido àcompressão porsubsidência

Se uma camada subside, comprime-se pelo peso da atmosfera e afunda vertical/.

A parte superior da camada afunda mais do que a inferior pois a pressão aoredor é menor, aquecendo-se mais.

Instabilidade absoluta

• A atmosfera fica absolutamente instável se a TVVT

do ambiente é maior do que as TVVT úmida e seca.

• Esta situação não é duradoura

– Resulta comumente do aquecimento da superfície e fica

confinada a camadas rasas próximas à superfície

– A mistura vertical pode eliminar a instabilidade absoluta

• A mistura provê uma TVVT adiabática seca na

camada misturada, a menos que ocorra condensação

(formação de nuvens), neste caso seria adiabática

úmida

Instabilidade absolutaInstabilidade absoluta ( (exemplosexemplos))

Ar condicionalmente instável

• O que acontece se a

TVVT do ambiente cai

entre a adiabática seca e

a úmida?

– A atmosfera é instável

para parcelas saturadas

mas estável para parelas

não-saturadas

– Esta situação é chamada

de condicionalmente

instável

• Esta é a situação típica

na atmosfera

Quais as condições que aumentam ainstabilidade atmosférica?

• Resfriamento do ar em camadassuperiores

– advecção fria acima

– resfriamento radiativo do ar/nuvensem camadas superiores

• Aquecimento do ar na superfície

– aquecimento solar da superfície

– advecção quente próxima àsuperfície

– ar movendo-se sobre umasuperfície quente (e.g., corpo deágua quente)

• Levantamento de uma camada de are o “estiramento” associado

– especialmente se a base da camadaé úmida e o topo, seco

Desenvolvimento das Nuvens

• As nuvens se formamconforme o ar sobe,expande e resfria

• A maioria das nuvensforma-se por– Aquecimento da

superfície e convecçãolivre

– Levantamento do arsobre uma topografia

– Levantamento do ardevido à convergênciasuperficial

– Levantamento aolongo das frentes

Desenvolvimento de Cumulus -nuvens de bom tempo

• Ar sobe devido aoaquecimento da superfície

• UR cresce conforme aparcela em ascenção resfria

• As nuvens se formam comUR ~ 100%

• A ascenção é fortementeinibida na base da camadade inversão por subsidênciaproduzida por movimentosdescendentes associados asistemas de alta pressão

• Ar subsidente é encontradoentre elementos de nuvem

– Por que?

Desenvolvimento esquemático deCumulus – nuvem de bom tempo

Quais são as condições necessárias para odesenvolvimento de nuvens profundas de

Cumulus?

• O perfil menos estável da atmosfera (lapse rate mais

intenso) permite maior desenvolvimento vertical

• Maior quantidade de umidade em baixos níveis

permite o maior aquecimento da parcela pela maior

liberação de calor latente, acelerando-a para cima

Determinação da Base de NuvensConvectivas

• Parcelas de ar seco resfriam à taxa da adiabática seca( ~ 10 oC/km)

• A temperatura de ponto de orvalho decresce a uma taxa de

~ 2 oC/km

• Isto significa que a temperatura do ponto de orvalho seaproxima da temperatura da parcela a uma taxa de 8 oC/km

• Se a depressão de ponto de orvalho é 4oC na superfície, abase da nuvem se formaria a uma altura de 500 m.

– A base da nuvem ocorre quando o ponto de orvalho =temp da parcela (UR = 100%)

• Cada grau de diferença entre a temperatura da superfície e ado ponto de orvalho produz um aumento na elevação da baseda nuvem de 125 metros.

Ar mais seco produz bases de nuvens mais altas;

Ar mais úmido produz bases de nuvens mais baixas

d

Dry adiabats

DETERMINAÇÃO DA BASE DA NUVEM

Determinação do topo de nuvensconvectivas

• O topo da nuvem é definido pelo limite superior deascenção da parcela de ar

• A área entre o lapse rate seco/úmido e o lapse rate doambiente pode ser dividida em duas partes

– Uma parte com aceleração positiva onde a parcela está

mais quente do que o ambiente

– Uma parte com aceleração negativa, onde a parcela está

mais fria do que o ambiente

• O topo da nuvem é aproximadamente igual à altitudeonde a área de aceleração negativa é igual à área deaceleração positiva

DETERMINAÇÃO DO TOPO DE NUVEM CONVECTIVA

TOPO DA NUVEM

LAPSE RATE AMBIENTAL

LAPSE RATEÚMIDO

TEMPERATURA

EMPUXO NEGATIVO

EMPUXO POSITIVO

BASE DA NUVEM

AL

TU

RA

EM

km

Nuvens Orográficas

• O levantamentoforçado ao longo deuma barreiratopográfica provoca aexpansão eresfriamento de umaparcela

• Nuvens e precipitaçãodesenvolvem-sefreqüentemente abarlavento de umobstáculo

• Ar seco desce asotavento da barrerira

Ar seco desce pela adiabática seca,

portanto se aquece mais e, como é

mais seco, Td é menor

Nuvens Lenticulares

• O ar estável escoando sobre umamontanha forma freqüentementeuma série de ondas

– Pense nas ondas formadasquando a água passa por umapedra submersa

• O ar resfria durante a ascençãoda parte ascendente da onda eaquece durante a partedescendente da onda

• As nuvens formam-se próximo àcrista da onda

• Um grande turbilhão que girafoma-se abaixo de nuvensassociadas à leewave

– Observados na formação denuvens rotor

– Muito perigosos para aviões

Forma da Nuvem

• Aquecimento/resfriamento

diferencial do topo e da base da

nuvem de uma camada contínua

de nuvem pode provocar a quebra

em pequenos elementos de nuvens

– O topo das nuvens absorve

radiação solar, mas resfria

mais rapidamente por

resfriamento radiativo

– A base das nuvens aquece por

absorção de IV das camadas

inferiores

– O resultado é que a camada de

dentro da nuvem torna-se

menos estável, mantendo a

convecção