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 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).
O termo pressão de vapor de equilíbrio refere-se a pressão exercida pelas moléculas de água bem acima da superfície dessas moléculas refere-se à pressão exercida pelas moléculas de água logo acima da superfície de uma partícula (uma superfície de água neste exemplo de Bergeron-Findeisen) ao sair da superfície, especificamente quando a gota está em equilíbrio com seu ambiente particular quando se estabilizou e há uma taxa constante de moléculas que saem da superfície da água para o meio ambiente e re-unem a superfície daquelas disponíveis no ambiente). A pressão de vapor de equilíbrio terá um valor particular a uma dada temperatura.
Similarmente, o termo pressão de vapor de saturação refere-se à pressão exercida pelas moléculas de água logo acima da superfície de uma partícula (uma superfície de gelo neste exemplo de Bergeron-Findeisen) ao sair daquela superfície, quando a taxa de perda de molécula de água a superfície para o ambiente é igual à taxa de retorno da molécula à superfície do ambiente (ocorre em um ambiente “saturado de gelo”). Esta pressão de vapor de saturação também terá um valor particular para uma dada temperatura.
Quando gotas de água superresfriadas e cristais de gelo coexistem no mesmo ambiente de nuvem em uma determinada temperatura, as moléculas de água deixam suas superfícies para o ambiente e também voltam para as superfícies (de gelo e gotas) a partir do ambiente. A taxa de ganho/retorno ou perda dessas moléculas deve ser levada em conta separadamente.
Considerando a perda de moléculas: a taxa na qual as moléculas deixam a superfície de uma gota para o ambiente é maior do que a taxa na qual as moléculas deixam a superfície de um cristal de gelo para aquele ambiente. Isto é o que se entende pela definição: “a pressão de vapor de equilíbrio sobre a água é maior do que a pressão de vapor de saturação sobre o gelo na mesma temperatura” – mais moléculas podem chegar à superfície de um cristal de gelo do que a de uma gotícula. Esta diferença de pressão de vapor na superfície e consequente diferença na taxa de perda de moléculas de água dos diferentes tipos de superfície ocorre porque as moléculas de água têm mais energia na superfície da água para mais facilmente se soltarem do que quando estão sobre uma superfície de gelo. Ou seja, é mais energeticamente favorável para a água existir na fase de gelo sólido do que a fase de água líquida.
Considerando o retorno das moléculas: As moléculas livres no ambiente também retornam às superfícies das partículas de água e gelo, mas podem se aproximar mais facilmente da superfície de um cristal de gelo – que oferece menor resistência à pressão de vapor – do que a superfície de uma gota.
O resultado líquido, como tal, é que as gotículas tendem a evaporar para o meio ambiente, enquanto os cristais de gelo tendem a crescer a partir do vapor no ambiente. Esse processo continua até que apenas uma nuvem de cristais de gelo permaneça.
Bibliografia
- Microfísica de Nuvens – parte 1 [Meteorópole]
- Snow Crystals [ Merriam-Webster]
- CLOUD PHYSICS : Collision/Coalescence; The Bergeron Process [College of DuPage – NEXLAB]
- Supercooling [Wikipedia]
- Como a neve se forma? [Meteorópole]
- Nucleação [Wikipedia]
- Processo de Colisão-Coalescência [Apostila da Prof. Alice Grimm – UFPR]
- Umidade atmosférica e precipitação [DSR – INPE]
- O Processo de Bergeron [Apostila da Prof. Alice Grimm – UFPR]