tema 4 vapor de Água, nÚvens, precipitaÇÃo e o … · componente perpendicular á superfície...
TRANSCRIPT
Meteorologia Geral 2011
TEMA 4
VAPOR DE ÁGUA, NÚVENS, PRECIPITAÇÃO E O CICLO
HIDROLÓGICO
4.1 O Processo da Evaporação
Para se entender como se processa a evaporação é interessante fazer um exercício
mental, imaginando o processo microscopicamente (Vide a Figura 4.1).
Figura 4.1: Processo de Evaporação.
Seja o recipiente acima (Figura 4.1) parcialmente cheio de água e inicialmente com
vácuo acima. Estão representadas algumas moléculas na superfície livre da água e
outras no líquido, se movendo aleatoriamente em todas as direcções, com diferentes
Meteorologia Geral 2011
velocidades. Eventualmente uma molécula no seio do líquido tem velocidade com
componente perpendicular á superfície livre da água e colide com uma das moléculas
da superfície. A molécula incidente transmite momento linear à molécula da superfície
e esta escapa para fora do líquido, passando a vagar no espaço livre acima. Esse
fenómeno é o que se chama evaporação, isto é, a passagem das moléculas do estado
líquido para o estado gasoso.
Naturalmente muitas moléculas vão colidir com as moléculas da superfície livre, e
assim, após algum tempo, muitas moléculas de água estarão se movendo acima da
superfície. Estas moléculas, por sua vez, colidem entre si e o resultado será um gás de
moléculas livres se movendo aleatoriamente acima da superfície livre.
Note-se que, da mesma forma que moléculas saem para fora do líquido, também
algumas moléculas vão retornar por terem uma componente de velocidade dirigida
para a superfície. Esse processo seria o da condensação. Neste caso, enquanto
algumas moléculas passam para o estado gasoso, outras voltam ao estado líquido, e a
taxa de evaporação líquida é a diferença entre as taxas de saída e de retorno das
moléculas.
A taxa de saída de moléculas do estado líquido para o estado gasoso depende da
temperatura do líquido. Quanto mais quente o líquido, maior é a agitação de suas
moléculas, e maior a probabilidade de colisões. Com isso, a taxa de saída de
moléculas por unidade de tempo também é maior. Enquanto a quantidade de
moléculas no estado gasoso é pequena, também é pequeno o número de moléculas
voltando por unidade de tempo. Isso significa que a evaporação líquida é maior no
início do processo e vai diminuindo à medida que vai aumentando o número de
moléculas no estado gasoso.
A taxa de evaporação líquida diminui até que a taxa de saída de moléculas seja igual à
taxa de volta de moléculas, quando então se tem um equilíbrio dinâmico. A pressão
exercida pelo vapor nesse equilíbrio equivale à máxima pressão de vapor possível,
também chamada “pressão de vapor de saturação”, indicada como es. Essa pressão de
vapor de saturação depende da temperatura. Se se aumentar a temperatura do líquido
Meteorologia Geral 2011
a agitação das moléculas aumenta e se tem uma taxa maior de moléculas saindo do
líquido.
Para refazer o equilíbrio será preciso um número maior de moléculas no estado
gasoso, aumentando portanto a pressão de vapor de saturação. O contrário ocorre se o
líquido esfriar.
Caso o espaço acima do líquido contivesse ar inicialmente, o processo seria
semelhante, havendo pouca variação nos valores da taxa de evaporação e da pressão
de vapor de saturação.
Meteorologia Geral 2011
Cláudio Paulo & Gilberto Mahumane Página 4
O gráfico (Vide Figura 4.2) abaixo mostra a pressão de vapor de saturação em
função da temperatura. A Tabela 4.1 mostra a pressão de vapor de saturação mais
detalhada.
Figura 4.2: Pressão de vapor de Saturação em Função da Temperatura.
Em consequência do exposto acima, existe uma quantidade máxima de vapor que
pode ser contido pelo ar à uma dada temperatura. A evaporação líquida ocorre se a
pressão de vapor fôr menor que essa pressão máxima.
Se fôr introduzido mais vapor no ar, o excesso é condensado na forma de água,
sobre uma superfície livre de água, ou sobre uma superfície sólida, ou ainda em
gotas suspensas no ar, até que a pressão de vapor seja de novo igual a pressão de
vapor de saturação (es).
Caso e < es então poderá haver evaporação, se houver água líquida e se houver um
suprimento de energia (ou calor). Se não houver um suprimento de energia, o
processo de evaporação retira calor da própria água, que naturalmente vai esfriar.
É possível promover a condensação do vapor baixando a temperatura do ar.
Suponha-se que o ar esteja saturado de vapor à temperatura de, por exemplo,
Meteorologia Geral 2011
Cláudio Paulo & Gilberto Mahumane Página 5
130C. À essa temperatura, segundo a Tabela 4.1, o ar estará saturado com a
pressão de vapor de saturação igual a 14,97mb. Se a temperatura baixar para 70C,
o ar poderá conter vapor com a pressão máxima de 10,0mb, ou seja, uma certa
quantidade de vapor deverá ser condensada de modo a baixar a pressão de vapor
para 10,0mb e manter o equilíbrio.
Tabela 4.1: Vapor de água, Tensão de saturação em função da Temperatura.
Meteorologia Geral 2011
Cláudio Paulo & Gilberto Mahumane Página 6
4.2 Grandezas relacionadas com a humidade do ar.
O vapor de água é uma componente do ar cuja concentração varia no tempo e no
espaço, sendo maior próximo das suas fontes, que são o solo ou superfícies livres
de água. Existem diferentes maneiras de exprimir a concentração de vapor de água
na atmosfera, das quais algumas estão mostradas abaixo.
4.2.1 Humidade absoluta, ou densidade do vapor:
VmVV
4.2.2 Pressão parcial de vapor, ou mais simplesmente “pressão de vapor”:
TRe VV
Quanto maior fôr o número de moléculas de água, maior será a
pressão de vapor. Nota-se que a pressão total da mistura é:
epp d
Onde dp é a pressão parcial da parte seca do ar que constitui a
mistura.
4.2.3 Razão de mistura: é a razão entre a massa de vapor e a massa de ar
seco.
dV mmw
Normalmente usam-se as unidades (g/kg) porque a massa de vapor é
muito pequena em relação `a de ar seco.
Meteorologia Geral 2011
Cláudio Paulo & Gilberto Mahumane Página 7
4.2.4 Humidade relativa: é expressa como a razão em percentagem entre a
quantidade de vapor existente e a máxima quantidade de vapor
possível à mesma temperatura, isto é, se o ar estivesse saturado:
)(100 swwRH
Onde sw é a razão de mistura de saturação:
)( sss epew
Note que a humidade relativa dá uma ideia do quanto falta para o ar
ficar saturado. Quer dizer, mesmo que a quantidade de vapor seja
pequena, a temperatura pode ser tão baixa que por uma pequena
diminuição posterior da mesma, o ponto de saturação seja atingido.
4.2.5 Ponto de orvalho: é a temperatura à qual a parcela de ar húmido
atinge a saturação. Assim, dada uma parcela na qual a pressão de
vapor seja e , a temperatura do ponto de orvalho ( dT ) deve obedecer à
equação:
)( ds Tee
A expressão da humidade relativa pode então ser escrita numa forma
alternativa:
)()( TeTeRH sds
Em registos e mensagens meteorológicas, normalmente são dados T
e dT a partir dos quais se podem obter as outras grandezas relativas à
humidade.
Meteorologia Geral 2011
Cláudio Paulo & Gilberto Mahumane Página 8
4.2.6 Orvalho e Neblina
Outro processo interessante é o seguinte: suponha-se ar húmido à
temperatura de 160C e com pressão de vapor de 12,3mb. À essa
temperatura, a pressão de vapor de saturação é de 18,3mb. Isso quer
dizer que o ar não está saturado. Porém, se a temperatura diminuir,
sem alterar a quantidade de vapor, a pressão de vapor não vai-se
alterar e, quando atingir o valor de 100C, o ar terá exactamente a
quantidade de vapor correspondente à saturação. Uma diminuição
posterior da temperatura vai fazer condensar parte do vapor, como no
caso anterior. Este último processo é o que ocorre na formação do
orvalho e da neblina.
No caso do orvalho a superfície do solo ou das plantas esfria, devido à
perda de energia por emissão de radiação infravermelha durante a
noite, e com elas esfria o ar imediatamente adjacente, até atingir o
ponto de saturação quando então o vapor se condensa sobre a
superfície. Essa temperatura de saturação para uma dada pressão de
vapor é chamada ”ponto de orvalho”.
No caso da neblina, o resfriamento do ar faz com que se atinja o ponto
de orvalho, mas o vapor se condensa na forma de gotas suspensas.
4.3 Nuvens
Nuvem é um aglomerado de partículas de água (no formato de vapor de água
condensado) ou gelo que se forma na atmosfera terrestre (Vide a Figura 4.3). São
visíveis e podem ter cores variadas (do branco ao cinza escuro). Quanto mais
escuras, mais carregadas de vapor de água elas estão. As formas variam de acordo
com a velocidade do vento e a quantidade de água que possuem.
Meteorologia Geral 2011
Cláudio Paulo & Gilberto Mahumane Página 9
Figura 4.3: Nuvens. Fundamentais para a formação das chuvas.
As nuvens são formadas a partir da evaporação da água de rios, mares, lagos,
piscinas e até mesmo do corpo humano (através da transpiração). O vapor de água
se condensa e forma a nuvem.
Quando as nuvens ficam muito carregadas de água e atingem altitudes elevadas,
diminuindo assim a temperatura, ocorrem as chuvas.
Importa salientar que através da observação das nuvens podemos observar, ou
identificar, as condições atmosféricas de determinado local, pois estas reflectem em
sua quantidade, forma e estrutura.
Para que haja a formação de nuvens é necessário que parte do vapor d’água
contido na atmosfera se condense, formando pequenas gotículas de água, ou
solidifique, formando minúsculos cristais de gelo. A esta formação, ou aglomerado
de cristais de gelo e gotículas damos o nome de nebulosidade.
Uma característica que diferencia os variados tipos de nuvens é a altura em que
elas se formam, ou onde se encontra sua base e seu topo. Mas, é importante
lembrar, que esta altura varia conforme a posição geográfica (latitudinal) da região
considerada. Por exemplo, na região tropical a altura mínima (estágio baixo) e
máxima (estágio alto) de uma nuvem costuma ser a 2 km e 18 km de altura da
superfície respectivamente, enquanto nas regiões polares e temperadas as
distâncias são, respectivamente, 2 km e 8 km, e 2 km e 13 km.
Meteorologia Geral 2011
Cláudio Paulo & Gilberto Mahumane Página 10
Existem vários tipos de nuvens. Os mais comuns são: cirrus (formato delicado e
sedoso), stratus (nuvens baixas de cor cinza) e cumulonimbus (grandes e cinzas,
possuem grande quantidade de água, nuvens de trovoadas) (Vide a Figura 4.6).
Figura 4.4: Imagens de Cirrus (Esquerda), Stratus (Centro) e Cumulonimbus (Direita).
4.4.1 Processo da formação das nuvens
Quando uma parcela de ar húmido é obrigada a subir, ela se resfria
adiabaticamente até uma temperatura em que o ar contido nela fique saturado. O
nível em que isso acontece é chamado “nível de condensação por levantamento”
(NCL). Desse nível para cima, a parcela fica ainda mais fria, e a parte da humidade
é obrigada a condensar em gotículas de água que aumentam de volume à medida
que a parcela sobe e à medida que mais ar húmido chega àquele nível vindo de
baixo.
Embora os processos sejam diferentes, a neblina também é uma nuvem, formada
próximo à superfície.
Na quase totalidade das nuvens de água líquida, cada gota se forma a partir de uma
partícula higroscópica que absorve as primeiras moléculas de água.
Se não houvesse essas partículas, a temperatura teria que diminuir até muito abaixo
do ponto de orvalho para iniciar a condensação. Essas partículas, também
chamadas “núcleos de condensação”, ou “aerossóis”, têm sua origem na superfície,
podendo ser pó, fumaça, sal do mar ou compostos contidos na poluição
atmosférica. Assim, sua concentração é maior sobre cidades e florestas e menor
sobre o mar. Da concentração de núcleos de condensação depende o tamanho das
gotas formadas, uma vez que quanto menor o número de gotas, maior a
Meteorologia Geral 2011
Cláudio Paulo & Gilberto Mahumane Página 11
disponibilidade de vapor de água para cada gota. Se as gotas crescem o suficiente
para vencer o arrasto da corrente de ar ascendente, elas podem cair em direcção à
superfície como chuva ou precipitação.
4.4 O Cíclo Hidrológico
O ciclo da água (conhecido cientificamente como o ciclo hidrológico: Figura 4.5)
refere-se à troca contínua de água na hidrosfera, entre a atmosfera, a água do solo,
águas superficiais, subterrâneas e das plantas. Ou pode ser definido como a
sequência fechada de fenómenos pelos quais a água passa do globo terrestre para
a atmosfera, na fase de vapor, e regressa àquele, nas fases líquida e sólida.
Figura 4.5: Esquema do Ciclo Hidrológico (ou ciclo da água).
A água se move perpetuamente através de cada uma destas regiões no ciclo da
água constituindo os seguintes processos de transferência:
Evaporação dos oceanos e outros corpos d'água no ar e
transpiração das plantas terrestres e animais para o ar.
Meteorologia Geral 2011
Cláudio Paulo & Gilberto Mahumane Página 12
Precipitação, pela condensação do vapor de água do ar e caindo
para a terra ou no mar.
Escoamento da terra geralmente atinge o mar.