Microfísica de Nuvens – parte 3: O Processo de Bergeron



Para entender melhor alguns dos termos mencionados ao longo do texto, sugiro que você veja a parte 1. Nessa primeira parte, eu falei de alguns conceitos muito importantes de Microfísica de Nuvens, para que possamos compreender melhor os processos que ocorrem no interior das nuvens.

Na parte 2, falei dos processos de Colisão e Coalescência e também expliquei como as gotículas de nuvem se forma.

Continuando o tópico, no post de hoje vou falar do Processo de Bergeron.

O Processo de Bergeron

Falei rapidamente desse processo nesse post sobre neve, mas vou detalhar um pouco mais nesse post.

Antes de continuar, é importante destacar duas características da água:

– As gotículas de nuvem não congelam a 0°C! Para falar a verdade, água pura e suspensa no ar só vai congelar lá pelos -40°C. Dentro da nuvem, pode existir água líquida em temperaturas entre 0°C e -40°C. Essa é a chamada água superresfriada.  Como os núcleos que formam gotículas de água são muito mais abundantes que núcleos que formam cristais de gelo, nas nuvens com temperaturas entre -10° C e -20° C gotículas de água superesfriada são muito mais abundantes que cristais de gelo, ao menos inicialmente. De fato, um só cristal de gelo pode estar rodeado por centenas de milhares de gotículas de água superesfriada.

– Temos então a segunda característica interessante da água: pense numa molécula de água. Ela consegue escapar mais rapidamente das gotículas de água líquida superresfriada do que de um cristal de gelo.  A pressão de vapor de saturação sobre cristais de gelo é muito menor que sobre gotículas de água superesfriada. Assim, quando o ar está saturado com relação às gotículas líquidas (Umidade Relativa = 100%) ele estará supersaturado para os cristais de gelo. Não é correto dizer assim, mas se calculássemos, a umidade relativa para os cristais de gelo seria superior a 100%. quando a umidade relativa é 100% em relação à água, ela será de 110% em relação ao gelo.

O Processo de Bergeron ou Processo de Wegener–Bergeron–Findeisen ou processo de “chuva fria” ou “cold-rain” é o processo que explica o crescimento de cristais de gelo em nuvens em que há uma mistura de fases da água (ou seja, na mesma nuvem tem água superresfriada e gelo) em regiões onde a pressão de vapor do ambiente (e) fica entre a pressão de vapor de saturação sobre a água (es (água)) e a pressão de vapor de saturação sobre o gelo (es (gelo)).

Retomando um exemplo do primeiro post da série, imagine uma situação em que, no interior de uma nuvem, es(água) = 5hPa e es(gelo) = 2hPa.  E imagine que  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. Nesse ambiente exemplo, teremos evaporação rápida da água líquida (uma vez que o ambiente é subsaturado para a água líquida, ou seja, ainda tem “espaço” para que as moléculas de água evaporem) e nesse ambiente também teremos crescimento rápido dos cristais de gelo através da deposição do vapor d’água (que é resultado da evaporação da água líquida). Nessa situação, se a quantidade de cristais de gelo for pequena quando comparada ao total de água líquida, a evaporação da água líquida vai fornecer vapor d’água suficiente para o processo de deposição nos cristais de gelo existentes, possibilitando que esses cristais de gelo cresçam o bastante. Se esses cristais ficarem muito grandes, os movimentos ascendentes no interior da nuvem não vão mais conseguir sustentá-los na nuvem. Eles vão cair como precipitação sólida ou líquida (pois podem derreter se a temperatura próxima a superfície for suficientemente alta).

O Processo de Bergeron. Fonte: Apostila da Prof. Alice Grimm
O Processo de Bergeron. Fonte: Apostila da Prof. Alice Grimm

O processo de Bergeron depende da diferença entre a pressão de saturação do vapor sobre a água e sobre o gelo. Consideremos uma nuvem na temperatura de -10° C, onde cada cristal de gelo está rodeado por muitos milhares de gotículas líquidas. Se o ar está inicialmente saturado em relação à água líquida, ele está supersaturado em relação aos recém-formados cristais de gelo. Como resultado desta supersaturação, os cristais de gelo coletam mais moléculas de água que perdem por sublimação. A deposição remove vapor d’água da nuvem e por isso cai a umidade relativa abaixo de 100%, e as gotículas se evaporam. Assim a evaporação contínua das gotículas fornece uma fonte de vapor e os cristais de gelo crescem às custas das gotículas de água superesfriada {x}.

Encontrei um vídeo muito bom que mostra o Processo de Bergeron em uma experiência de laboratório. Não conseguimos observar o processo dentro das nuvens (até deve dar, mas não temos ainda uma técnica que permita isso), mas podemos reproduzir as condições em laboratório e observar o processo:

A descrição desse vídeo é muito rica, ajuda muito a compreender o que a gente consegue ver acontecendo. Vou traduzir a descrição:

Este vídeo demonstra o processo de Bergeron-Findeisen em ação. Começamos com uma nuvem de gotículas de água líquida (gotículas com cerca de 20-30 micrômetros de diâmetro) e resfriadas até -15°C . Elas permanecem no estado líquido estão, portanto, superresfriadas. Ao expandir rapidamente um pequeno volume de ar comprimido, consequentemente reduzimos a temperatura localmente, provocando a formação de cristais de gelo que se misturam na nuvem com as gotículas de água líquida. Ou seja, temos uma nuvem com fases misturadas (em inglês, chamamos de mixed-phase cloud). Esses cristais de gelo crescem as custas da evaporação das gotículas de água líquida, eventualmente formando uma nuvem que tem apenas cristais de gelo.

O processo Bergeron – Findeisen é frequentemente definido como ocorrendo devido “a pressão de vapor de equilíbrio sobre a água é maior do que a pressão do vapor de saturação sobre o gelo à mesma temperatura” . Isto é verdade , mas não é o tipo de explicação que ajuda a apreciar plenamente a dinâmica microfísica do sistema.

Em um ambiente de fase mista (que apresenta água em mais de uma fase), ambas as gotículas d’água e os cristais de gelo terão moléculas de água deixando as suas superfícies para o meio ambiente e moléculas de água do ambiente se “unindo” às superfícies das gotículas e dos cristais de gelo. Saber se mais moléculas de água estão deixando as gotículas e os cristais de gelo ou se mais moléculas de água estão deixando o ambiente, determinará se a partícula irá crescer ou evaporar (ou sublimar, no caso do gelo).

The term ‘EQUILIBRIUM VAPOUR PRESSURE’ refers to the pressure exerted by water molecules just above a particle’s surface (a water surface in this Bergeron-Findeisen example) as they leave that surface, specifically when the droplet is in equilibrium with its particular environment (i.e. when it has settled down and there is a steady rate of molecules leaving the water surface to the environment and re-joining the surface from those available in the environment). This EQUILIBRIUM VAPOUR PRESSURE will have a particular value at a given temperature.

Similarly, the term ‘SATURATION VAPOUR PRESSURE’ refers to the pressure exerted by water molecules just above a particle’s surface (an ice surface in this Bergeron-Findeisen example) as they leave that surface, in the situation when the rate of water molecule loss from the surface to the environment is equal to the rate of molecule return to the surface from the environment (occurs in an ‘ICE SATURATED’ environment). This SATURATION VAPOUR PRESSURE will also have a particular value for a given temperature.

When supercooled water droplets and ice crystals coexist together in the same mixed-phase cloud environment at a given temperature, water molecules leave their surfaces to the environment and also re-join from the environment. The rates of molecule loss and gain can each be considered separately.

Considering molecule loss: The rate at which molecules leave a droplet’s surface to the environment is greater than the rate at which molecules leave an ice crystal’s surface to that environment. This is what is meant by the definition: “the EQUILIBRIUM VAPOUR PRESSURE over water is greater than the SATURATION VAPOUR PRESSURE over ice at the same temperature”—more molecules can arrive at an ice crystal’s surface than a droplet’s. This surface vapour pressure difference, and consequential difference in the rate of loss of water molecules from the different surface types occurs because water molecules have more energy on the water surface to more easily break free and leave to the environment than when on an ice surface; it is more energetically favourable for water to exist in the solid ice phase than the liquid water phase.

Considering molecule return: The molecules that are free in the environment also return to the water and ice particle surfaces, but can more easily approach an ice crystal’s surface—which offers less vapour pressure resistance—than a droplet’s surface.

The net result as such is that the droplets tend to evaporate to the environment, whereas the ice crystals tend to grow from the vapour in the environment. This process continues until only a cloud of ice crystals remains.

One final note: When only droplets are present in an environment, the environment is between water saturation and water supersaturation; the number of molecules re-joining a water surface is equal to or greater than the number leaving, resulting in the droplets remaining the same size, or growing in size. (Actually, smaller droplets preferentially increase in radius than larger ones, but that’s a separate phenomenon.) When both ice crystals and water droplets are present, the environment becomes water sub-saturated, but ice supersaturated; more molecules leave a water surface than return, and more molecules return to an ice surface than leave. When only ice crystals remain, the environment is ice saturated; the ice crystals remain the same size. If the vapour leaves the local environment, the environment becomes ice sub-saturated; less molecules return to an ice crystal’s surface than leave they begin to sublimate and reduce in size.

 

Bibliografia

 

http://www.dsr.inpe.br/dsr/vianei/CursoHF/Capitulo4c.htm

http://www.geografia.fflch.usp.br/graduacao/apoio/Apoio/Apoio_Emerson/Texto_Precipitacao.pdf

https://en.wikipedia.org/wiki/Coalescence_(physics)

http://fisica.ufpr.br/grimm/aposmeteo/cap6/cap6-3-2.html

http://fisica.ufpr.br/grimm/aposmeteo/cap6/cap6-3-1.html