Condensação: Orvalho, Nevoeiro e Nuvens

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Condensação: Orvalho, Nevoeiro e
Nuvens
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Condensação
• Condensação é a transformação de fase do
vapor d’água para água líquida
• A água não condensa facilmente sem uma
superfície presente
– Vegetação, solo, construções provêm uma
superfície para a formação de orvalho e geada
– As partículas agem como superfícies para a
formação de gotas de nevoeiro e nuvens
Orvalho
• As superfícies esfriam
intensamente à noite por
resfriamento radiativo
– mais intesamente em
situações de céu claro e
ventos calmos
• O ponto de orvalho é a
temperatura na qual o ar
encontra-se saturado de
vapor d’água
• Se uma superfície esfria a
uma temperatura inferior ao
ponto de orvalho, a água
condensa sobre a superfície e
gotas de orvalho se formam
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Geada
• Se a temperatura é mais baixa
do que o ponto de
congelamento, o ponto de
orvalho é chamado de ponto
de congelamento
• Se a temperatura da superfície
é mais baixa do que o ponto
de congelamento, o vapor
d’água é depositado
diretamente como cristal de
gelo
– deposição
• Os cristais resultantes são
conhecidos como geada,
geada negra ou geada branca
Formação de Gotas de Nuvens
• Se a Tar < Td
UR > 100%
o vapor d’água tenderá a condensar e formar
gotas nuvens/nevoeiro
• A formação das gotículas ocorre sobre partículas
conhecidas como núcleos de condensação (NC)
• As partículas higroscópicas são os núcleos de
condensação mais efetivos (partículas de sal)
• Sem estas partículas, as nuvens não se formariam
na atmosfera
– UR de muitas centenas é requerida para que haja
formação de gotas de nuvens com água pura
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Tamanhos Típicos
Gotículas muito pequenas tendem a
evaporar!
• Pequenas gotas têm
grande curvatura – Efeito
da curvatura
• Grande curvatura
apresenta alta esat de
equilíbrio pois a
quantidade de moléculas
é maior
• Gotas muito pequenas
requerem uma UR muito
alta (supersaturação)
– ~300% UR para uma gota
de água pura de 0,1 µm
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Nucleação Homogênea
• A formação de uma gota de água pura sem um núcleo de
condensação é chamada de nuclação homogênea
• A colisão aleatória de moléculas de vapor d’água pode
formar um pequeno embrião de gota de água
– A probabilidade de colisão limita o tamanho do embrião
a < 0,01 µm
• esat para um embrião é equivalente
a muitas centenas de UR
– O embrião evapora com uma
UR < 100,5%
Efeito do Soluto
• A condensção da água sobre NC
dissolve a partícula
– A água condensa, para a maioria de
partículas de sal, a UR ~ 70%
• Algumas partículas de soluto
ficam na superfície da gota
– Deslocam as moléculas d’água
– Reduzem a probabilidade de
moléculas escaparem como vapor
– Reduzem esat do valor requerido
para a gota de água pura
– Os íons dos sais apresentam uma
forte ligação com as moléculas
d’água
molécula d’água
molécula de soluto
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Umidade Relativa %
O efeito de curvatura e o efeito do soluto
Curvas de crescimento de gotas.
O pico de cada curva é o ponto
crítico de ativação da gota de
nuvem. Define uma UR crítica
correspondente.
10-15g
10-16 g
10-14 g
Números em
vermelho são a
massa de NC
de sal
Raio da gota (micrometros)
Passos na formação de nuvens e
nevoeiros
• Parcela de ar esfria, aumentando a UR
– Resfriamento radiativo à superfície
– Expanção no movimento ascendente
• O vapor d’água é depositado sobre NC (décimos
de µm) conforme a UR aumenta
– Depende do tamanho e da composição da partícula
• Se UR excede um valor crítico, as gotas são
ativadas e crescem prontamente, formando gotas
de nuvens (dezenas de µm)
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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 atmsofera 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
Algo mais
sobre NCN
aerossol sulfato
SO2 Æ H2SO4
SO2
• As nuvens contribuem para a
produção de NCN
– Ingestão de dióxide de enxofre (SO2)
nas nuvens
– Reações químicas nas gotas de
nuvens convertem SO2 dissolvido
em formas solúveis de sulfato
– Quando as gotas de nuvens
evaporam, as partículas solúveis de
sulfato são deixadas na atmosfera
• As conventrações de NCN variam
no tempo e no espaço
– Tipicamente 100-1000 por cm3
– Alta em ambientes poluídos
– Altas concentrações de NCN
permitem altas concentrações de
gotas de nuvens
• Impacto climático destas nuvens
com maior albedo?
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Nevoeiro
• Nevoeiros são nuvens
em contato com o chão
• Alguns tipos de
nevoeiros formam-se
comumente
–
–
–
–
Nevoeiro de radiação
Nevoeiro de advecção
Nevoeiro de ascenção
Nevoeiro de evaporação e
mistura
Nevoeiro de Radiação
• Perda de radiação da superfície e condução de calor das
camadas adjacentes diminuem a temperatura do ar próximo ao
chão
• A camada de ar próxima ao chão torna-se saturada e forma-se
então o nevoeiro
• O nevoeiro se intensifica conforme o resfriamento radiativo
continua no decorrer da noite
• O aquecimento solar aquece o chão e causa a destruição do
nevoeiro nas camadas próximas ao chão
• Quais as condições meteorológicas que favorecem o nevoeiro
de radiação?
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Nevoeiro de Advecção
•
•
•
•
Ar quente move-se (é advectado) sobre uma superfície fria
A superfície fria esfria o ar quente
Se a saturação é alcançada, forma-se o nevoeiro
Comum na costa oeste dos EUA
– Ar quente e úmido do Pacífico é advectado sobre as águas frias ressurgentes na costa
– Conforme o ar saturado (nevoeiro) move-se para dentro do continente, o aquecimento solar
esquenta a superfície e as camadas adjacentes
• O nevoeiro evapora nas camadas próximas ao chão
– Nevoeiros de advecção na costa da Califórnia são a fonte chave de umidade para a
vegetação (Redwoods)
Outros tipos de Nevoeiro
• Nevoeiro de Evaporação
(mistura)
– A mistura de ar quente e
úmido produz a saturação de
ar mais frio
– Exemplos
• Exalar o ar num dia frio
• Evaporação da água de uma
superfície relativamente
quente e úmida e sua
mistura com o ar acima.
• (Smokestack plume,
contrails)
• Nevoeiro de ascenção
– Ar úmido sobe numa superfície
inclinada, montnaha ou escarpa.
– Expanção do ar causa o
resfriamento e UR aumenta
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Visibilidade e Nevoeiro
• O espalhamento da luz pelas gotas do nevoeiro (espalhamento
geométrico) degrada a visibilidade, levando a
– Fatalidades no trânsito
– Acidentes em aeroportos
• Prevenção
– Monitoramento e avisos de nevoeiros (sensores ópticos) - modelos
– Dispersão de nevoeiros (cara e de limitada utilidade)
Nuvens
• As nuvens resultam da
saturação do ar acima da
superfície
• Elas podem
– ser espessas ou finas,
grandes ou pequenas
– Conter gotas de água e/ou
cristais de gelo
– Formar-se na alta ou baixa
troposfera
– Formar-s na estratosfera
• As nuvens influenciam o
ambiente de várias maneiras:
- balanço radiativo,
- ciclo d’água,
- processos de poluição,
- balanço de cargas no sistema
terra-atmosfera, etc.
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Classificação das Nuvens
• As nuvens são caracterizadas pela altura, aparência e
desenvolvimento vertical
– Nuvens altas –
6 – 18 km em latitudes tropicais
5 – 13 km em latitudes médias
3 – 8 km em latitudes polares
• Principais tipos - Cirrus, Cirrostratus, Cirrocumulus
– Nuvens Médias – 2 – 8; 2 – 7; 2 - 4 km
• Principais tipos – Altostratus, Altocumulus
– Nuvens baixas – abaixo de 2000 m
• Principais tipos – Stratus, Stratocumulus, Nimbostratus
– Nuvens com desenvolvimento vertical
• Principais tipos – Cumulus, Cumulonimbus
Nuvens Altas
• Nuvens Altas
– Branca durante o dia;
vermelha/laranja/amarela durante
o nascer ou pôr do sol
– Composta de cristais de gelo
– Cirrus
• Finas
• Movem-se de oeste para leste (!)
(em casos particulares)
• Indicam bom tempo
– Cirrocumulus
• Menos comuns que Cirrus
• Aglomerados brancos, pequenos
e arredondados individuais ou
em longas linhas
– Cirrostratus
• Finas e estratificadas
• Sol e lua claramente vistos
através delas
• Halo
• Freqüentemente precedem
precipitação
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Cirrus
Cirrus
Cirrus ao nascer do sol
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Cirrocumulus
Cirrocumulus
Cirrocumulus ao pôr do sol
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Cirrostratus
Cirrostratus com Halo
Contrails
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Nuvens Médias
• Altocumulus
–
–
–
–
< 1 km de espessura
maior parte é gota d’água
cinza, arredondadas
Diferenças do Cirrocumulus
• maiores
• maior contraste
• Altostratus
– cinza, azul-cinza
– Freqüentemente cobre todo
o céu
– O sol ou a lua podem ser
vistos sem ofuscar a vista
• Freqüentemente sem
sombras
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Altostratus
Alto Stratus Castellanus
Altocumulus
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Altocumulus
Alto Cumulus Radiatus
Alto Cumulus
Alto Cumulus Undulatus
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Nuvens Baixas
• Stratus
– Uniformes, cinzas
– Parecem nevoeiro que não
alcança o chão
– Comumente sem precipitação,
mas chuvisco leve é possível
• Stratocumulus
– Nuvens baixas irregulares
– Quebra-se (comumente) em
elementos de nuvens
– Base mais baixa e maior do
que a do altostratus
• Nimbostratus
– Cinza escuro
– Chuva ou neve contínua e
moderada
– Evaporação da chuva debaixo
da base pode formar stratus
fractus
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Stratus fractus
Olhando abaixo uma região com
Stratus sobre o Atlântico
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Camadas de Nuvens
estratiformes
Ruas de Stratocumulus
Stratus undulatus
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Stratus
Uma camada de Stratocumulus
vista de cima
Nuvens com
desenvolvimento
vertical
• Cumulus
– Flocos de “algodão”
– Base plana, topo arredondado
Mais espaçoes entre os
elementos de nuvem do que
em Stratocumulus
• Cumulonimbus
– Nuvem de tempestade
– Muito alta, alcança
freqüentemente a tropopausa
– Individuais ou agrupadas
– Grande energia liberada na
condensação de vapor d’água
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Cumulonimbus com Pileaus
Cumulonimbus com Tornado
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Sumário dos Tipos de Nuvem
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Observações
de Satélite
• Os satélite podem ser
– Geostacionários
• Monitores fixos em uma
região da Terra
– Órbita Polar
• Orbita o polo com a Terra
revolvendo abaixo
• Os satélites observam
–
–
–
–
nuvens
Vapor d’água
Precipitação
properties da superfície
(temperatura, cobertura de
neve, vegetação, TSM, etc)
Fotos de Satélite no Visível e IV
IR
Visible