Nuvens, nevoeiros e neblina: condensação e precipitação

Fundamentos de Meteorologia – EAM 10

IRN/UNIFEI

Prof. Dr. Marcelo de Paula Corrêa

NUVEM: “Conjunto visível de partículas minúsculas de água líquida ou de gelo, ou ambas ao mesmo tempo, em suspensão na atmosfera. Este conjunto também pode conter estas partículas em maiores dimensões, assim como outros tipos de partículas, como as procedentes, por exemplo, de vapores industriais, fumaça e poeiras”

(Atlas Internacional de nuvens, OMM)

Deste modo, podemos dizer que as nuvens são manifestações visíveis da condensação e deposição de vapor d’água na atmosfera !

Formação de nuvens

CONDENSAÇÃODO VAPOR D’ÁGUA

Tar < Td

+ H2Ov é adicionado ao ar

SUPERFÍCIE SOBRE AQUAL O VAPOR D’ÁGUA

SE CONDENSA

Solo

Núcleos decondensação

orvalhonevoeiro

nuvens

Classificação de nuvens

Classificação de nuvens Nuvens altas

– Cirrus (Ci)– Cirrostratus (Cs)– Cirrocumulus (Cc)

Nuvens médias– Altostratus (As)– Altocumulus (Ac)

Nuvens baixas– Stratus (St)– Stratocumulus (Sc)– Nimbostratus (Ns)

Nuvens com desenvolvimento vertical– Cumulus (Cu)– Cumulonimbus (Cb)

Sites interessantes para ver fotos de nuvens

http://www.chitambo.com/clouds/ http://www.cloudappreciationsociety.org/ http://www.wetter-foto.de/galerie.php http://www.weatheroutreach.org/4.html http://www.uen.org/utahlink/weather/clouds/cloud_id.html

Classificação das nuvens(Atlas Internacional de Nuvens – OMM, 1972)

Fonte: Vianello e Alves, 1991

Mas, as nuvens são formadas apenas pela condensação do vapor

de água ?

Núcleos de condensação O que são ?

– Partículas em torno das quais o vapor de água se condensa. Geralmente são substâncias higroscópicas como o sal marinho (cloreto de sódio, NaCl), os produtos de combustão que contêm ácido nítrico (HNO3) e ácido sulfúrico (H2SO4) ou pequenas partículas de poeiras e pólen.

– Sigla: CCN. Do inglês, cloud condensation nuclei– São ditos ativos quando promovem condensação

Por que são necessários ?– No ar limpo, a condensação do vapor de água só é possível em

situações de supersaturação → UR > 100%.– Além disso, o grau de saturação necessário para desenvolvimento de

nuvens aumenta rapidamente (supersaturação) a medida que o raio das gotículas diminui.

• Se o raio da gotícula R ≈ 0,1 μm – saturação com UR ≈ 350%• Se o raio da gotícula R ≈ 1,0 μm – saturação com UR ≈ 101%

Núcleos de condensação Classificação

– Núcleos de condensação de nuvens • Ativos em temperaturas tanto acima como abaixo da temperatura de

congelamento.

• Gotículas de água podem se condensar e permanecer líquidas mesmo quando a Tnuvem < 0°C (gotículas de água superesfriadas)

– Núcleos de formação de gelo • menos abundantes e tornam-se ativos apenas em temperaturas bem

abaixo do congelamento.

• Há dois tipos de núcleos de formação de gelo: – (1) núcleos de congelamento: causam o congelamento de gotículas e

tornam-se ativos, na maioria das vezes, para T < –10° C. – (2) núcleos de deposição (ou de sublimação): sobre os quais o vapor d’água

deposita diretamente como gelo. Tornam ativos, na maioria das vezes, para T < –20° C.

Núcleos de condensação Observação importante: O EFEITO DE CURVATURA

– Ar saturado ↔ UR = 100%: Se refere ao caso das moléculas de vapor de água na atmosfera estarem em equilíbrio termodinâmico com as moléculas de uma superfície plana de água pura, cuja temperatura é a mesma do ar.

– Portanto, se a água NÃO é pura e/ou a superfície NÃO é plana a UR pode ser > ou < 100%.

• Em temperaturas equivalentes, a pressão de vapor de saturação necessária em torno de uma gota esférica de água é maior que no ar sobre uma superfície plana de água.

• Quando a curvatura da superfície de água aumenta, torna-se mais fácil para moléculas de água escapar do líquido e tornar-se vapor. Essa curvatura também tende a dificultar a incorporação de novas moléculas. Neste caso, as moléculas estão mais distanciadas e as forças de ligação são mais fracas que sobre uma superfície plana.

• Pelo efeito de curvatura a pressão de equilíbrio entre as moléculas de vapor de água no ar e as água líquida que constituem a gotícula é inversamenteo proporcional ao raio da gotícula.

Núcleos de condensação Observação importante: O EFEITO DO SOLUTO

– A presença de substâncias solúveis na gotícula reduz a pressão de equilíbrio entre a gotícula e o vapor de água do ar.

– Depende do tipo e da concentração de soluto na gotícula

– O sal marinho é o soluto mais comum encontrado na atmosfera.

Na atmosfera ambos os efeitos ocorrem concomitantemente. Desse modo, o tamanho de uma gota depende dos efeitos da curvatura e do soluto.

EFEITO DE CURVATURA

(curva B)UReq = 101,4%.

Isto é, 1,4% acima da UReq entre o vapor saturado e uma superfície plana de água pura.

EFEITO DE SOLUTO(curva A)

UReq = 98%

A medida que a gotícula cresce, a proporção de soluto diminui. Ou seja, o soluto é primordial para a formação da gotícula, porém não exerce influência quando a gota é maior.

Exemplos dos efeitos de soluto e curvaturaTomemos como base uma gotícula de água pura de raio 0,5μm

Vamos avaliar a UR de equilíbrio (UReq) entre o vapor de água e a gotícula

Observe que para uma gotícula de 3,0μm ambos os efeitos são desprezíveis

Curva LMOPQ → ambos os efeitos ocorrendo (atmosfera)

Exemplos dos efeitos de soluto e curvaturaCurva LMOPQ → ambos os efeitos ocorrendo (atmosfera)

Suposição: Insere-se um CCN no ar não-saturado

L – O CCN absorve água até ocorrer equilíbrio com o ar ao redorM – Resfriamento (ascenção adiabática) → UR aumenta → crescimento → novo equilíbrioN – Novo resfriamento → UR (N) → crescimento LMOP sem equilíbrio com o ar vizinhoO – CCN é um “núcleo ativado” → crescimento da gotícula é instávelApós O – crescimento indefinido se a quantidade de vapor permanecesse no nível N. No entanto, com a condensação a UR diminui e outros núcleos são ativados dando origem a um espectro de gotículas de diferentes raios.GH – se refere a núcleos menores que os da curva LMOPQ

Características dos CCN Processo de condensação

– Ar se resfria → UR aumenta– Antes de atingir UR = 100% (p/água pura, spf plana), há

condensação dos núcleos maiores (ativos) – Quando UR = 100%, a gotícula cresce até atingir valores

máximos dentro da nuvem– CCN pequenos não são aproveitados → n° gotículas < n° CCN

Escala de tamanho e de tempo de formação– Considerando um CCN ativo de 1,0 μm passando pelo processo

de condensação• Para atingir 10 μm: alguns segundos

• Para atingir 100 μm: alguns minutos

• Para atingir 1000 μm (1 mm): ~ 3h

• Para atingir 3000 μm (3 mm): um dia

Como as chuvas são

observadas de1 a 2 h apósa formaçãoda nuvem ?

Formação de precipitação

Processo de captura (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)

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 menores – 5)  O campo elétrico das gotículas e o campo elétrico das nuvens também

influenciam, mas ainda são objetos de estudo.

(Thomson, 2000)

(Lutgens 1992)

O processo de colisão não é 100% eficiente! Portanto, a colisão nem sempre resulta em coalescência.

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)

221

2

)RR(

yE

Eficiência de colisão

(Wallace & Hobbs, 1977)

9

gR2v

2

Velocidade de queda da gota

ap

η – coeficiente de viscosidade

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

– Deve-se às seguintes propriedades da água:

1. 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.

2. 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.

Dados interessantes sobre 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).

1 mm de chuva é igual a 1 litro de água sobre 1 m2 de área horizontal

(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).

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

E o que ocorre se a condensação se dá em níveis próximos à superfície ?

Orvalho e geada Próximo à superfície o vapor d’água pode condensar-se sobre o

solo e os objetos:– Se Tar > 0°C → pode ocorrer formação de orvalho– Se Tar < 0°C → pode ocorrer formação de geada.

– ATENÇÃO: Orvalho e geada não são formas de precipitação !

– Ponto de orvalho: Temperatura até a qual o ar deve ser resfriado, com pressão constante, para atingir a saturação (em relação à água líquida). O ponto de orvalho dá uma medida do conteúdo de vapor d’água no ar. Quanto mais alto, maior a concentração de vapor d’água no ar.

– Ponto de geada: Temperatura na qual o resfriamento produz saturação na temperatura de 0° C ou menores. O vapor d’água se deposita como geada sobre uma superfície cuja temperatura esteja abaixo do ponto de geada.

Geada

Orvalho

Tipos de geada Quanto à formação:

– Geada de advecção: provocadas por injeção de ar com temperaturas muito baixas, que ressecam a folhagem causando a sua morte. Em algumas situações, esse tipo de geada fica caracterizado por haver dano apenas no lado da planta voltado para o vento.

– Geada de radiação: resfriamento intenso da superfície, que perde energia durante as noites de céu limpo, sob o domínio de sistemas de alta pressão e baixa concentração de vapor d’água.

Quanto ao tipo

– Geada branca: congela a parte superficial da cultura. Ocorre em condições de maior umidade do ar, quando efetivamente existe o congelamento de água sobre as plantas e outras superfícies. (mais comum e menos severa)

– Geada negra: Ocorre em condições de pouca umidade e perda radiativa intensa, causando resfriamento acentuado da vegetação, chegando à temperatura letal. Em função da baixa umidade, não há deposição de gelo. Este tipo de geada é mais severo, pois a baixa umidade do ar permite ocorrência de temperaturas bem menores (congela a parte interna da cultura).

Nevoeiro e Neblina Definição: suspensão de minúsculas gotículas de água ou cristais de

gelo numa camada de ar próxima à superfície da Terra. Ou seja, trata-se de uma nuvem cuja base está em contato com o solo.– Nevoeiro: quando a visibilidade horizontal no solo é inferior a 1 km;

– Neblina: quando a visibilidade horizontal no solo é superior a 1 km.

nevoeiro neblina

Tipos de nevoeiro

Nevoeiro de radiação– Motivo: resfriamento radiativo da superfície e do ar adjacente. – Ocorrência: noites de céu limpo, ventos fracos e umidade relativa

razoavelmente alta. – Características: Se o ar está calmo o nevoeiro pode ser raso (menos de 1

m de profundidade) e descontínuo. Para um nevoeiro com maior extensão vertical, é necessária uma brisa leve de 3 a 4 km/h. O vento fraco produz mistura fraca que transfere calor para a superfície fria, fazendo com que uma camada maior se resfrie até abaixo do ponto de orvalho e levando o nevoeiro para cima (10 ou 30 m) sem dispersá-lo.

– Localização: O ar resfriado por radiação tende a escoar para áreas mais baixas. Portanto, é mais espesso em vales, enquanto as elevações em volta estão claras.

– Duração: Normalmente estes nevoeiros se dissipam em 1 a 3 horas após o nascer do sol. No inverno pode ser mais persistente.

Tipos de nevoeiro Nevoeiro de advecção

– Motivo: Quando ar quente e úmido passa sobre uma superfície fria, resfriando-se por contato e também por mistura com o ar frio que estava sobre a superfície fria, até atingir a saturação.

– Ocorrência: Ventos entre 10 e 30 km/h são usualmente associados com nevoeiro de advecção. A turbulência não só facilita o resfriamento de uma camada mais profunda de ar, mas também leva o nevoeiro para alturas maiores.

– Características e duração: São freqüentemente profundos (300-600 m) e persistentes.

Nevoeiro orográfico– Motivo: Devido ao movimento ascendente, o ar se expande e resfria

adiabaticamente. Se o ponto de orvalho é atingido, pode-se formar uma extensa camada de nevoeiro

– Ocorrência: Quando ar úmido sobe terreno inclinado.

– Localização: Encostas de colinas ou montanhas

Tipos de nevoeiro

Nevoeiro de vapor– Motivo: Quando ar frio se move sobre água mais quente, a água

evapora, aumentando a razão de mistura do ar que, com suficiente evaporação, pode atingir a UR = 100%. O aumento na umidade relativa, causada pela rápida evaporação, compensa a diminuição da umidade relativa causada pelo aquecimento do ar pela água. Como o ar é aquecido por baixo, ele é instabilizado, sobe, e o vapor d’água encontra o ar mais frio, condensando-se e subindo com o ar que está sendo aquecido por baixo.

– Características: Aparece como correntes ascendentes que lembram fumaça ou "vapor". É freqüentemente muito raso, pois quando sobe reevapora no ar não saturado acima.

– Localização: Ocorre freqüentemente sobre lagos e rios no outono e início do inverno, quando a água pode ainda estar relativamente quente. O mesmo fenômeno também ocorre em dias frios sobre uma piscina externa aquecida. A saturação por adição de vapor pode ocorrer também por evaporação de chuva em ar frio próximo ao ponto de orvalho (nevoeiro frontal ou de precipitação).