Estabilidade Desenvolvimento das Nuvens

Estabilidade
Desenvolvimento das Nuvens
Por que a estabilidade é
importante?
• 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 denso
do que o ar nas vizinhanças – a estabilidade é especialmente
importante aqui
Estabilidade na atmosfera
Perturbação inicial
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
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
'S
Variação na
energia
estática
c p 'T g 'z
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”
0 c p 'T g 'z
c p 'T
'T
'z
g 'z
g
cp
g = 9,8 m/s2
cp = 1004 J K-1 kg –1
J = N.m
“Lapse rate adiabático seco”
Estabilidade e o lapse rate adiabático
seco
• A estabilidade atmosférica
depende do lapse rate do
ambiente
– Uma parcela com ar nãosaturado resfria de acordo
com a adiabática seca
– Se a parcerla de ar está
• mais quente do que o ar
vizinho, é menos densa e o
empuxo acelera o
movimento ascendente
vizinhança
• mais fria do que o ar
vizinho, é mais densa e o
empuxo força o movimento
descendente
Uma parcela de ar saturado em ascenção
esfria menos do que uma parcela nãosaturada!
• Se uma parcela de ar torna-se satura, ocorre a
condensação
• A condensação aquece a parcela de ar devido à
liberação de calor latente
• Asim, uma parcela em ascenção aquece menos se
estiver 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 e
lapse rate adiabático úmido
• A estabilidade atmosférica
depende do lapse rate do
ambiente
– Uma parcela saturada em
ascenção esfria de acordo com o
lapse rate adiabático úmido
– Quando o lapse rate do
ambiente é menor do que o
lapse rate úmido, a atmosfera
está absolutamente estável
• Observe que o lapse rate seco é
maior do que o úmido
– Que tipo de nuvem você espera
que se forme se o ar saturado é
forçado a subir numa atmosfera
absolutamente estável?
dry
Quais as condições que contribuem para
uma atmosfera estável?
• Resfriamento
radiativo da
superfície à noite
• Advecção de ar frio
próximo à superfície
• Ar movendo-se sobre
uma superfície fria
(e.g., neve)
• Aquecimento
adiabático devido à
compressão por
subsidência
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 ao
redor 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 absoluta (exemplos)
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 a
instabilidade atmosférica?
• Resfriamento do ar em camadas
superiores
– advecção fria acima
– resfriamento radiativo do ar/nuvens
em camadas superiores
• Aquecimento do ar na superfície
– aquecimento solar da superfície
– advecção quente próxima à
superfície
– ar movendo-se sobre uma
superfície quente (e.g., corpo de
água quente)
• Levantamento de uma camada de ar
e o “estiramento” associado
– especialmente se a base da camada
é úmida e o topo, seco
Desenvolvimento das Nuvens
• As nuvens se formam
conforme o ar sobe,
expande e resfria
• A maioria das nuvens
forma-se por
– Aquecimento da
superfície e convecção
livre
– Levantamento do ar
sobre uma topografia
– Levantamento do ar
devido à convergência
superficial
– Levantamento ao
longo das frentes
Desenvolvimento de Cumulus nuvens de bom tempo
• Ar sobe devido ao
aquecimento da superfície
• UR cresce conforme a
parcela em ascenção resfria
• As nuvens se formam com
UR ~ 100%
• A ascenção é fortemente
inibida na base da camada
de inversão por subsidência
produzida por movimentos
descendentes associados a
sistemas de alta pressão
• Ar subsidente é encontrado
entre elementos de nuvem
– Por que?
Desenvolvimento esquemático de
Cumulus – nuvem de bom tempo
Quais são as condições necessárias para o
desenvolvimento 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 Nuvens
Convectivas
• 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 se
aproxima da temperatura da parcela a uma taxa de 8 oC/km
• Se a depressão de ponto de orvalho é 4oC na superfície, a
base 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 a
do ponto de orvalho produz um aumento na elevação da base
da nuvem de 125 metros.
DETERMINAÇÃO DA BASE DA NUVEM
Dry adiabats
d
Ar mais seco produz bases de nuvens mais altas;
Ar mais úmido produz bases de nuvens mais baixas
Determinação do topo de nuvens
convectivas
• O topo da nuvem é definido pelo limite superior de
ascenção da parcela de ar
• A área entre o lapse rate seco/úmido e o lapse rate do
ambiente 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 altitude
onde a área de aceleração negativa é igual à área de
aceleração positiva
DETERMINAÇÃO DO TOPO DE NUVEM CONVECTIVA
TOPO DA NUVEM
ALTURA EM km
LAPSE RATE AMBIENTAL
EMPUXO NEGATIVO
EMPUXO POSITIVO
BASE DA NUVEM
TEMPERATURA
LAPSE RATE
ÚMIDO
Nuvens Orográficas
• O levantamento
forçado ao longo de
uma barreira
topográfica provoca a
expansão e
resfriamento de uma
parcela
• Nuvens e precipitação
desenvolvem-se
freqüentemente a
barlavento de um
obstáculo
• Ar seco desce a
sotavento 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 uma
montanha forma freqüentemente
uma série de ondas
– Pense nas ondas formadas
quando a água passa por uma
pedra submersa
• O ar resfria durante a ascenção
da parte ascendente da onda e
aquece durante a parte
descendente da onda
• As nuvens formam-se próximo à
crista da onda
• Um grande turbilhão que gira
foma-se abaixo de nuvens
associadas à leewave
– Observados na formação de
nuvens 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