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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.
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.
(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.
• Wallace, J. M. and Hobbs, P. V. Atmospheric
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-
1.html