Microfísica de Nuvens – parte 2: Como as gotículas de nuvem se formam?



Continuação da série sobre Microfísica de Nuvens. Veja a primeira parte nesse post.  Eu ia começar esse post falando do Processo de Bergeron e outras coisas mais “difíceis”, mas decidi, antes de mais nada, responder a essa simpática pergunta:

Como as gotículas de nuvem se formam?

Eu sei, a essa altura meu caro leitor já deve saber que as nuvens não são feitas de vapor d’água! Até porque o vapor d’água é um gás e não podemos vê-lo. As nuvens são formadas por gotículas d’água e para que elas se formem, a parcela ar contendo vapor d’água precisa ser forçado a ter sua temperatura reduzida de alguma maneira. Dessa maneira, o vapor d’água passa para o estado líquido, no processo de condensação.

Como uma nuvem pode se formar?Adaptado de AHRENS, C.D.: Meteorology Today 9th Edition
Como uma nuvem pode se formar? Adaptado de AHRENS, C.D.: Meteorology Today 9th Edition. Leia mais aqui.

Mas para que uma gota de nuvem se forme, é necessário haver condições ideais para que essa “conversão” do vapor d’água para a água líquida ocorra. Sem a presença de aerossóis, partículas em suspensão na atmosfera, esse processo seria praticamente impossível.

Mas ok, e se não tivéssemos aerossóis no nosso planeta, que é o caso do planeta da ficção científica Ocampa, da série Star Trek (falei sobre esse planeta aqui)? Bom, vamos então falar do processo de nucleação homogênea.

A água pura, dentro de uma nuvem, só condensa se a saturação ultrapassa os 20% (ou seja, só condensa se a umidade relativa ultrapassa 120%), pois o formato esférico da gotícula é uma estrutura instável e a tensão superficial da água só consegue ser vencida em um ambiente supersaturado. Se a umidade relativa ultrapassasse os 120%, teríamos o processo de nucleação homogênea.

Ocorre que a atmosfera terrestre não consegue chegar em valores de umidade relativa de 120%. Consegue chegar até uns 103%, de acordo com algumas fontes, mas não passa disso. Ou seja, a nucleação homogênea não explica a formação de gotículas de nuvens. Temos um outro processo que explica a formação: a nucleação heterogênea e é nesse processo que entram os aerossóis.

Os aerossóis são partículas em suspensão na atmosfera. Eles servem como superfície para que a água possa se condensar sem a necessidade de supersaturação.

Sabe quando o vapor d’água se condensa em portões, gramado, carros e outros objetos expostos ao ar livre? Temos então a formação do orvalho. O orvalho só se forma porque exitem superfícies onde o vapor d’água se condensa. Nas nuvens, alguns aerossóis atuam como essas superfícies.

Não são todos os aerossóis que atuam dessa maneira. O aerossol precisa ser higroscópico. O curioso é que o aerossol nem sempre precisa ser “local”. Por exemplo, poeira de deserto é um aerossol que viaja milhares de quilômetros e pode ajudar na formação de gotículas de nuvens em localidades totalmente distantes de desertos. Os aerossóis que servem como núcleos de condensação são os Cloud Condensation Nuclei (CCN) ou Núcleos de Condensação (NC), siglas que normalmente aparecem na literatura. A palavra higroscópico, significa que tem afinidade com moléculas de água. Partículas de pólen, sal marinho e até partículas de bactérias são higroscópicas, como exemplos.

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Tamanho relativo das moléculas de água e o tamanho de um núcleo de condensação. As moléculas de água são 100x menores que o tamanho do núcleo de condensação. Fonte: NASA

 

Processo de Colisão e Coalescência

Agora que sabemos como as gotículas de nuvem se formam, podemos entender como elas crescem e chegam ao tamanho de uma gota de chuva. Existem vários processos que explicam o crescimento e um deles é o Processo de Colisão e Coalescência. Não é o método mais “importante” para se formar gotas de chuva, mas eu diria que é o mais intuitivo.

As gotículas de nuvem são carregadas por correntes no interior das nuvens. Já frisei em outros posts aqui no Meteorópole, mas é importante ressaltar que a nuvem não é estática. Ela está em constante movimento, com correntes de ar subindo e descendo. Mencionei isso recentemente no post em que explico porque as nuvens não caem em cima da gente.

Enquanto as gotículas estão se movimentando no interior da nuvem, elas acabam se colidindo umas com as outras e elas podem grudar umas nas outras, e isso é chamado de coalescência. Através desse processo, as gotículas podem crescer. O processo de colisão e coalescência é importante principalmente nos trópicos.

A figura abaixo ilustra o Processo de Colisão e Coalescência e foi retirada desse capítulo da apostila da Prof. Alice Grimm, da UFPR.:

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As 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 da Prof. Alice Grimm – UFPR

Bibliografia