O PAPEL DA ÁGUA NA ATMOSFERA
1. CONTEÚDO DE VAPOR DE ÁGUA: Definição
2. MÉTODOS DE MEDIÇÃO
3.ORVALHO, GEADA E NEVOEIROS
4. NUVENS
5. ESTABILIDADE E DESENVOLVIMENTO DE NUVENS
6. PRECIPITAÇÃO E CICLO HIDROLÓGICO
O VAPOR DE ÁGUA NA ATMOSFERA
Para medirmos o vapor, há um enorme conjunto de variáveis,
sendo a pressão de vapor, a mais relevante do ponto de vista
termodinâmico.
1. A pressão de vapor
e
Esta variável representa a pressão exercida pelo vapor
de água quando só há este gás. Entretanto, este gás se
comporta como gás ideal, nas condições normais de
pressão e temperatura. A quantidade deste gás não
excede os 4% do total de gases. Após este valor
normalmente ocorre a saturação.
Neste ponto, ocorre o processo de condensação, com a mudança
de fase para o estado líquido.
A pressão d e vapor de saturação (es) é limitada pela pressão de
vapor de saturação:
des/dt=L/ T(a1-a2) na Equação de Clausius-Clapeyron
2.Umidade Absoluta (rv)
É a densidade do vapor de água em g por metro cúbico de ar.
r
3. Razão de mistura ( )
É a razão entre a massa de vapor presente e a massa de ar seco
que a contém
r=mv/md
Também é proporcional à pressão de vapor.
4. Razão de mistura de saturação (rs)
O mesmo que acima, mas em relação à saturação:
rs=~es/p
Todas em g por kg de ar
q
4. Umidade específica ( )
É definida como a razão entre as massas de vapor e a massa
total(ar seco + vapor)
Variação entre Pólo e Equador
5. Umidade Relativa (UR)
Esta variável é a + famosa. Refere-se a razão entre a pressão de
vapor presente e a pressão de vapor de saturação, a uma dada
pressão atmosférica e temperatura:
UR= e/es
ou :
Dada em %.
UR =r/rs
Variação latitudinal da UR:
É função de p, T e r
6. Ponto de orvalho (Td)
É definido como a temperatura na qual o ar úmido deve ser
resfriado para se tornar saturado com r e p constantes.
Quando a temperatura atinge o pto. de orvalho, ocorre a
condensação. Este pto. se atinge de 2 formas:
1- resfriamento radiativo e 2- ascensão adiabática
Ou ainda por modificação da razão de mistura por
umidificação.
7. Temperatura virtual (Tv)
É a temperatura que o ar úmido teria se tivesse a densidade do
ar seco, a mesma pressão. O problema é que a “constante” dos
gases para o ar úmido (Rv) é sempre variável.
Tv= T(1+re)
Sendo o ar úmido menos denso, segue que Tv será um pouco
maior que T. Exemplo.
Tópicos extras
Umidade do Ar em Ambientes internos
Umidade relativa e conforto térmico
Ideal 40-70%
Variação vertical, latitudinal e diária da UR
Comparação entre Lima e Salvador e entre NY e Londres
MÉTODOS DE MEDIÇÃO
PSICRÔMETRO:
São 2 termômetros juntos, um deles mergulhado em uma gaze
molhada e o outro seco. São chamados de termômetros de bulbo
úmido e seco.
O bulbo úmido é posto a se esfriar por evaporação. E a diferença dos 2
termômetros é tabelada como mostra a figura.
Dry Bulb Minus Wet Bulb (degrees celsius)
DIFERENÇA ENTRE SECO-ÚMIDO
TEMP. DO BULBO SECO
Dry Bulb
°C
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
1
88
89
89
89
90
90
90
90
91
91
91
91
91
92
92
92
2
77
78
78
79
79
81
81
81
82
82
83
83
83
84
84
84
3
66
67
68
69
70
71
71
72
73
74
74
75
76
76
77
77
4
55
56
58
59
60
61
63
64
65
65
67
67
68
69
69
70
5
44
46
48
50
51
53
54
55
57
58
59
60
61
62
62
63
6
34
36
39
41
42
44
46
47
49
50
53
53
54
55
56
57
7
24
27
29
32
34
36
38
40
41
43
46
46
47
48
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50
8
15
18
21
22
25
27
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32
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36
39
39
40
42
43
44
9
6
9
12
15
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23
25
27
29
32
32
34
36
37
39
10
7
10
13
15
18
20
22
26
26
28
30
31
33
HIGRÔMETRO
Este é o aparelho mais utilizado para se medir UR. È feito
normal/e de cabelo humano, que se expande cerca de 2.5%
quando úmido.
Há também Higrômetro do ponto de orvalho.
Higrômetro elétrico consiste em um prato chato coberto de 1
filme de carbono.
Uma corrente elétrica cruza o prato. Quando o vapor de água é
absorvido, a resistência elétrica muda e este valor é convertido em
ponto de orvalho ou UR. Este é o instrumento utilizado nas
radiossondas.
Pluviômetros. Estes servem para medir a precipitação acumulada.
Disdrômetros: servem para medir o espectro de gotas de chuva, em
diferentes classes, assim como a taxa de precipitação.
ORVALHO, GEADA E NEVOEIROS
ORVALHO & GEADA
Em noites calmas e claras, objetos próximos à superfícies
perdem calor rapidamente por irradiância IV. A superf. se esfria
+ rapidamente que o ar adjacente e ao entrar em contato.
Eventualmente, se esfria até a saturação, e o vapor dentro deste
se condensa sobre a mesma superf. Este é o pto. de orvalho. Se
for até próximo a zero grau, há a formação da geada, que pode
tanto ser por congelamento do orvalho como por sublimação.
Alguma superfícies perdem calor mais facilmente, tais como
gramados, carros, etc. No abrigo o termômetro pode estar até 23oC mais quente.
Quando há nuvens, estas bloqueiam a perda de IV e a formação
de ambos é retardada ou cancelada.
Orvalho e geadas estão associados com as Altas Pressões:
anticiclones.
Geada branca versus geada negra.
Núcleos de Condensação (CCN)
Os aerossóis podem servir de núcleos de condensação onde
ocorre a mudança de fase do vapor para o líquido.
Na atmosfera, esta mudança pode se dar ao nível do solo, na
formação de nevoeiros, por ex., ou no nível de condensação por
levantamento (NCL).
Quando a parcela sobe na atmosfera carrega consigo os
CCN e a quantidade vapor que a condensou. Ao subir, se
esfria e se expande adiabaticamente, na razão de 10oC/km,
atingindo o NCL entre 1 e 3 km de altura (depende das
condições iniciais).
Este é o nível de formação da nuvem: a base!
Os CCN podem ser distribuídos por tamanho de acordo
PG > 2 mm
PF < 2 mm
PI: partícula inalável : < 10 mm
Núcleos de gelo (IN)
Silicatos, calcita, iodeto de prata (AgI) entre inorgânicos
Bactérias, pólen e esporos de fungos e VOCs entre
microbiota e orgânicos.
Nucleação homogênea versus heterogênea
Sem CCN: não haveria nuvens
Sem IN: há gelo abaixo de -40oC.
Tamanho das gotículas
Núcleos : até 30 mm
Gotícula de nuvem: 20-70 mm (nevoeiro até 30 mm)
Gota de chuva : 300 a 6000 mm
Granizo: até 15 cm
Névoa seca: a névoa seca é definida qdo a UR está abaixo
de 100%, podendo atingir valores de 70%. CCN como sal
marinho (NaCl), sulfatos (SO4=) e nitratos (NO3-) são
muito higroscópicos, absorvem vapor até se tornarem
“visíveis” .
Névoa úmida: formação sobre superfícies úmidas com UR
igual a 100%.
Nevoeiro ou neblina: pode ser uma nevoa úmida mais
profunda e larga. Um gde no. de CCN próximos à
superfície na presença de UR =100% pode formar
nevoeiros.
Quando a visibilidade fica abaixo de 1 km pode-se
considerar a formação de nevoeiro. Se ficar abaixo de 30 m
é considerado extra/e perigoso para o tráfego de carros.
Há diferenças (como nas nuvens) de nevoeiros próximos a
oceanos e continentais/urbanos. Maiores núcleos,
gotículas maiores e em menor quantidade, no primeiro
caso.
Extremos de nevoeiro:
Famoso caso de 1953 em Londres.
FORMAÇÃO DAS NEVOEIROS E NUVENS
Os nevoeiros e nuvens se formam por resfriamento no solo
e por ascensão adiabática, respectiva/e.
Ou por evaporação e mistura até a saturação.
Nevoeiro e nuvem orográfica
Locais de formação de nevoeiros: Costa do Pacifico da
Am.Norte e Sul, Newfoundland, Corrente de Benguela,
Africa do Sul.
Evaporation fog e caribou fog.
Dispersão de nevoeiros:
1 - aumento do tamanho das gotículas
2 - em nevoeiros frios acrescentar CO2
3 - aquecer o ar
4 - misturar com ar acima
Nuvens/Volken/Clouds/Nuages
Sem estas, o ciclo da água estaria comprometido.
Sem elas, não haveria também halos, relâmpagos ,arcoíris...
Classificação
1802 Lamarck
1803 Luke Howard criou os termos stratus, cumulus e
cirrus, designando, camada, acúmulo, ganchos. E por fim
nimbus, relativo a chuva violenta
Nimbustratus Ns
Cumulonimbus Cb
1887 Abercrombie & Hildebrandsson
Tropicais/temperadas e polares: Alta, médias e baixas
Desenvolvimento das nuvens
Aquecimento superficial e as forçantes
Mudança de fase: a curvatura da gota e a presença de
solutos (sais) facilitam a aquisição de mais moléculas de
água, pois a pressão de vapor é maior sobre as superf.
curvas e a presença dos solutos na mesma também
auxiliam neste papel. Há também a necessidade de uma
supersaturação (acima de 100%) para que a gota
permaneça estável, em cerca de 0,5 a 1,5%. A subida da
parcela na atmosfera pela liberação de CL favorece a
formação da supersaturação.
Precipitação
Crescimento por condensação: até gotas de 70 mm.
Para crescer até gotas precipitantes: colisão-coalescência.
Chuva estratiforme versus convectiva
E/ou da fase gelo.
Equações de crescimento
Riming /acreção versus agregação (floco)
Acreção=graupel e granizos
Agregação= flocos de neve
Cloud seeding
Chuvas de cores diferentes
Chuvas ácidas: < pH 5.5
Formas dos cristais de gelo: plates, dendritos e colunas
20 cm de neve equivale a 2 cm de chuva= 20 mm = 20 l/m2
Blizzard
Chuva congelante (ice storm)
ESTABILIDADE ATMOSFERICA
Atmosfera estável: o ar mais denso fica em baixo do
menos denso.
Instável: o ar mais denso (frio e seco) está acima do menos
denso, qualquer forçante pode mudar este estado.
Parcela de ar: “bolha” de ar com características
homogêneas onde o ar ascende ou descende de acordo c/
sua densidade e forçantes externas (frentes, brisas etc), e
c/
características
particulares:
subidas/descidas
adiabáticas, permanece como uma unidade e se ajusta
automaticamente à pressão externa
TVVT=lapse rate para parcelas não saturadas é de 10oC/km
Ao atingir o ponto de orvalho, a parcela atinge o Nível de
Condensação por Levantamento (NCL) e passa a se esfriar
no processo adiabático saturado, i.e., com liberação de
calor latente, podendo variar de 2 a 4oC/km, de acordo
com o conteúdo líquido.
DETERMINANDO A ESTABILIDADE
A estabilidade é determinada, comparando-se a parcela
com as demais parcelas à sua volta. Se ascender e ficar mais
densa que o meio, ela desce, retornando ao nível original:
situação estável
=> Condição estável, neutra e instável.