Microfísica de Nuvens – parte 1: conceitos iniciais

A dúvida da leitura Gisele me deu uma ideia: escrever uma série sobre Microfísica de Nuvens. Essa série vai ter 3 (ou 4?) posts.

Vamos falar Processo de Colisão-Coalescência e do Processo de Bergeron, embora desse último eu tenha falado brevemente nesse post.

Para entendermos melhor os dois processos, precisamos entender algumas propriedades e conceitos relacionados à substância água. E para ficar bem claro ao ler esse texto, é necessário lembrar que a água apresenta-se em 3 estados: sólido, líquido e gasoso. Como normalmente quando a gente fala água logo vem a nossa mente o estado líquido, vou tentar deixar claro de qual estado da água estou falando ao longo do texto. Outra coisa que é preciso lembrar é que a água no estado gasoso (ou vapor d’água) é um gás! E não podemos enxergar esse gás. Nuvens não são feitas de vapor d’água, mas sim de água no estado líquido (gotículas) e sólido (cristais de gelo).

Esse texto vai ficar muito grande. Nesse post não vou conseguir falar sobre os dois processos mencionados no primeiro parágrafo, mas vou conseguir introduzir alguns conceitos que permitirão compreende-los nos posts seguintes.

O primeiro conceito do qual quero falar é que a água no estado líquido pode ficar super-resfriada. Isso significa que pode existir água líquida mesmo estando a temperaturas abaixo do ponto de congelamento (0°C). Isso acontece na ausência de núcleos de congelamento e nessas circunstâncias pode existir água líquida até cerca de -40°C.

Núcleos de congelamento são análogos aos núcleos de condensação. Ou seja, ambos são protagonistas no processo de nucleação. Para que o vapor d’água comece a se condensar, é necessário haver uma superfície, que é o núcleo de condensação. Dessa maneira, as gotinhas de nuvem se formam. Para que os cristaizinhos de gelo se formem, também é necessário haver uma superfície. Essa superfície, nos dois casos, pode ser um cristal de sal marinho, bactérias, poeira de deserto, etc.

Um conceito que precisamos entender também é o da pressão de vapor ou pressão parcial do vapor. Nos primeiros posts do blog, falei dos gases que compunham a atmosfera da Terra. Pois bem, quando medimos a pressão do ar usando um barômetro, vamos medir a pressão exercida por todos esses gases que compõe a atmosfera. A pressão do vapor é a pressão exercida apenas pelo vapor d’água. Do ponto de vista meteorológico, é interessante medir a pressão do vapor porque a concentração de vapor d’água na atmosfera e totalmente variável. Depende da latitude (áreas tropicais tem mais vapor d’água na atmosfera), da proximidade a corpos d’água (oceanos, lagos, etc), da altitude, etc.

Imaginem uma interface água-ar (um lago e o ar que está logo acima dele, por exemplo). As moléculas de água estão, a todo momento, evaporando e condensando. Na evaporação, mais moléculas de água passam do estado líquido para o estado gasoso do que o contrário. E no processo de condensação, mais moléculas de água passam do estado gasoso para o líquido. Entretanto, pode ocorrer um estado de equilíbrio em que as moléculas passam para o estado gasoso e para o estado líquido com a mesma taxa. Nesse estado, a pressão de vapor d’água parcial exercida é chamada de pressão de vapor de saturação. De maneira bem resumida, a pressão de vapor de saturação (que é um valor que podemos calcular) depende basicamente da temperatura, tanto que há tabelas relacionando a temperatura ambiente e a pressão de vapor de saturação.

Normalmente, comete-se a simplificação (que ao meu ver pode gerar confusão) de chamar a pressão de vapor de saturação de apenas pressão de vapor. Como descrevi acima, a pressão de vapor de saturação ocorre em uma situação específica, ideal. Essa simplificação no nome dos termos ocorre porque a gente consegue calcular a pressão de vapor de saturação, mas não consegue calcular a pressão de vapor!

Como a concentração de vapor d’água na atmosfera é bastante variável (conforme mencionei anteriormente), não tem como “contar” todas as moléculas de vapor d’água. Dessa maneira, primeiro se calcula a pressão de vapor de saturação e indiretamente conseguimos chegar na pressão de vapor.

A pressão de vapor de saturação será portanto um valor de referência. Em uma dada temperatura da atmosfera, teremos um valor de pressão de vapor de saturação (es, como normalmente aparece na literatura). Com esse valor de es, será possível calcular a pressão de vapor (normalmente, na literatura, aparece com a letra e). Se e e es forem iguais, teremos umidade relativa igual a 100% e ar saturado!

Para chegar no valor da pressão de vapor de saturação, pode-se utilizar tabelas (como também mencionei antes), porém os valores dessas tabelas são obtidos usando a relação de Clausius-Clapeyron, que relaciona essas duas variáveis.

No nível do mar, em uma pressão de vapor de saturação a temperatura de 20°C, temos as seguintes pressões parciais para cada um dos gases que compõe a atmosfera:

  • o vapor d’água tem pressão parcial de 2,3kPa,
  • o nitrogênio tem pressão parcial de 78kPa,
  • o oxigênio tem pressão parcial de 21kPa
  • o argônio tem pressão parcial de 0,9kPa

E dessa maneira, totalizando 102,2kPa, totalizando a pressão atmosférica padrão.

Todos os conceitos mencionados nesse post são alguns dos conceitos utilizados em uma área da Meteorologia chamada Física de Nuvens ou Microfísica de Nuvens. É uma das áreas mais fascinantes e mais difíceis do curso de Meteorologia. Se algum colega meteorologista chegar até esse post, sinta-se livre para fazer correções ou observações nos comentários ou por e-mail.

Observem que os conceitos que mencionei anteriormente são aplicados para a relação entre vapor d’agua e água no estado líquido. Entretanto, eles podem ser aplicados também a relação vapor d’água e gelo.

O que vimos até aqui foi a pressão de saturação sobre a água líquida e que de agora em diante, chamaremos de  es (água). No entanto, temos também a es (gelo). Assim como acontecem trocas entre a superfície do lago (no exemplo que mencionei antes) e a atmosfera logo acima dele, trocas de moléculas de água por evaporação e condensação, também acontecem trocas entre a superfície de um iceberg e a atmosfera logo acima dele, por sublimação e sublimação inversa. Há um momento em que essas trocas se equilibram e temos a es (água).

A es (água) é maior que es (gelo), pois as ligações entre moléculas adjacentes são mais fortes em uma superfície de gelo do que  em uma superfície  de água líquida. Assim, à mesma temperatura, menos moléculas irão escapar de uma superfície de gelo do que a partir de uma superfície de água líquida.

Importante: a es (água) e a es (gelo) são calculadas de maneira diferente. Ambas são soluções para a Relação de Clausius-Clapeyron, mas deve ser levado em consideração diferentes constantes que levam em consideração as mudanças de fase. No caso de es (água) levamos em consideração constantes da transição vapor-água (evaporação e condensação). No caso de es (gelo) levamos em consideração as constantes da transição vapor-gelo (sublimação).

Existem diversas aproximações para calcular es (água) e  es (gelo). Nesse link, há algumas dessas equações, com os devidos trabalhos científicos onde forem publicados. Vou deixar aqui duas das equações mencionadas no link, pois são do CIMO Guide da OMM:

es (água)= 6.112 exp(17.62 T/(243.12 + T))
com T in [°C] e o resultado em  [hPa]

es (gelo)  = 6.112 exp(22.46 T/(272.62 + T))
com T em [°C] e o resultado em [hPa]

 

Agora vamos voltar ao conceito inicial que mencionei: água super-resfriada. Como existe água líquida em temperaturas abaixo de 0°C (até cerca de -40°C), concluímos que existe uma faixa de temperaturas em que temos água líquida e gelo coexistindo. E isso torna as coisas bastante interessantes quando aplicamos as equações que mencionei acima, temos os seguintes gráficos:

pressaovapor1 pressaovapor2

O segundo gráfico (com a linha laranja) trata-se da diferença entre os dois gráficos anteriores. Ou seja, calculei es (água) e a es (gelo) para a faixa entre -41°C e 0°C e em seguida fiz a diferença entre os valores. Depois, fiz o gráfico das diferenças, que é o da linha laranja. E observem que nesse segundo gráfico há um pico por volta dos -15°C. Por volta dos -15°C, a es (gelo) é significativamente menor que a es (água) , o que significa que o ar está menos saturado para o gelo do que está saturado para a água líquida. Portanto, por volta dos -15°C, as partículas de gelo crescerão mais facilmente que as gotículas de água.

Gostei bastante de um exemplo dado pelo Lucas, do Meteorotica. Vou reproduzir no box abaixo:

Vamos considerar algumas hipóteses no interior de uma nuvem. Vamos supor que es(água) = 5hPa e es(gelo) = 2hPa. Agora se:

1) A pressão de vapor na nuvem e = 6hPa, o que irá crescer o gelo ou a água?

Ambos os tipos irão crescer como o ambiente é supersaturado em relação ao gelo e  à água.

2) A pressão de vapor na nuvem e = 4hPa, o que crescerá nessa nuvem a água ou o gelo?

Somente o gelo irá crescer como a nuvem está supersaturada em relação ao gelo e subsaturada em relação à água.

3) A pressão de vapor na nuvem e = 1hPa, o que crescerá nessa nuvem a água ou o gelo?

Nenhum tipo de partícula irá crescer como o ambiente é subsaturado em relação à água e ao gelo.

Vou parar o post por aqui, porque acredito que consegui apresentar os principais conceitos de Microfísica de Nuvens para que possamos compreender, nos próximos posts, o Processo de Colisão-Coalescência e o Processo de Bergeron.

Se alguém quiser acrescentar mais alguma coisa ou corrigir algo, fiquem a vontade =).

O próximo post da série deve ir ao ar ainda essa semana, aguardem.

Bibliografia