TEMA 4 VAPOR DE ÁGUA, NÚVENS, PRECIPITAÇÃO E O CICLO HIDROLÓGICO

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1 TEMA 4 VAPOR DE ÁGUA, NÚVENS, PRECIPITAÇÃO E O CICLO HIDROLÓGICO 4.1 O Processo da Evaporação Para se entender como se processa a evaporação é interessante fazer um exercício mental, imaginando o processo microscopicamente (Vide a Figura 4.1). Figura 4.1: Processo de Evaporação. Seja o recipiente acima (Figura 4.1) parcialmente cheio de água e inicialmente com vácuo acima. Estão representadas algumas moléculas na superfície livre da água e outras no líquido, se movendo aleatoriamente em todas as direcções, com diferentes

2 velocidades. Eventualmente uma molécula no seio do líquido tem velocidade com componente perpendicular á superfície livre da água e colide com uma das moléculas da superfície. A molécula incidente transmite momento linear à molécula da superfície e esta escapa para fora do líquido, passando a vagar no espaço livre acima. Esse fenómeno é o que se chama evaporação, isto é, a passagem das moléculas do estado líquido para o estado gasoso. Naturalmente muitas moléculas vão colidir com as moléculas da superfície livre, e assim, após algum tempo, muitas moléculas de água estarão se movendo acima da superfície. Estas moléculas, por sua vez, colidem entre si e o resultado será um gás de moléculas livres se movendo aleatoriamente acima da superfície livre. Note-se que, da mesma forma que moléculas saem para fora do líquido, também algumas moléculas vão retornar por terem uma componente de velocidade dirigida para a superfície. Esse processo seria o da condensação. Neste caso, enquanto algumas moléculas passam para o estado gasoso, outras voltam ao estado líquido, e a taxa de evaporação líquida é a diferença entre as taxas de saída e de retorno das moléculas. A taxa de saída de moléculas do estado líquido para o estado gasoso depende da temperatura do líquido. Quanto mais quente o líquido, maior é a agitação de suas moléculas, e maior a probabilidade de colisões. Com isso, a taxa de saída de moléculas por unidade de tempo também é maior. Enquanto a quantidade de moléculas no estado gasoso é pequena, também é pequeno o número de moléculas voltando por unidade de tempo. Isso significa que a evaporação líquida é maior no início do processo e vai diminuindo à medida que vai aumentando o número de moléculas no estado gasoso. A taxa de evaporação líquida diminui até que a taxa de saída de moléculas seja igual à taxa de volta de moléculas, quando então se tem um equilíbrio dinâmico. A pressão exercida pelo vapor nesse equilíbrio equivale à máxima pressão de vapor possível, também chamada pressão de vapor de saturação, indicada como e s. Essa pressão de vapor de saturação depende da temperatura. Se se aumentar a temperatura do líquido

3 a agitação das moléculas aumenta e se tem uma taxa maior de moléculas saindo do líquido. Para refazer o equilíbrio será preciso um número maior de moléculas no estado gasoso, aumentando portanto a pressão de vapor de saturação. O contrário ocorre se o líquido esfriar. Caso o espaço acima do líquido contivesse ar inicialmente, o processo seria semelhante, havendo pouca variação nos valores da taxa de evaporação e da pressão de vapor de saturação.

4 O gráfico (Vide Figura 4.2) abaixo mostra a pressão de vapor de saturação em função da temperatura. A Tabela 4.1 mostra a pressão de vapor de saturação mais detalhada. Figura 4.2: Pressão de vapor de Saturação em Função da Temperatura. Em consequência do exposto acima, existe uma quantidade máxima de vapor que pode ser contido pelo ar à uma dada temperatura. A evaporação líquida ocorre se a pressão de vapor fôr menor que essa pressão máxima. Se fôr introduzido mais vapor no ar, o excesso é condensado na forma de água, sobre uma superfície livre de água, ou sobre uma superfície sólida, ou ainda em gotas suspensas no ar, até que a pressão de vapor seja de novo igual a pressão de vapor de saturação (e s ). Caso e < e s então poderá haver evaporação, se houver água líquida e se houver um suprimento de energia (ou calor). Se não houver um suprimento de energia, o processo de evaporação retira calor da própria água, que naturalmente vai esfriar. É possível promover a condensação do vapor baixando a temperatura do ar. Suponha-se que o ar esteja saturado de vapor à temperatura de, por exemplo, Cláudio Paulo & Gilberto Mahumane Página 4

5 13 0 C. À essa temperatura, segundo a Tabela 4.1, o ar estará saturado com a pressão de vapor de saturação igual a 14,97mb. Se a temperatura baixar para 7 0 C, o ar poderá conter vapor com a pressão máxima de 10,0mb, ou seja, uma certa quantidade de vapor deverá ser condensada de modo a baixar a pressão de vapor para 10,0mb e manter o equilíbrio. Tabela 4.1: Vapor de água, Tensão de saturação em função da Temperatura. Cláudio Paulo & Gilberto Mahumane Página 5

6 4.2 Grandezas relacionadas com a humidade do ar. O vapor de água é uma componente do ar cuja concentração varia no tempo e no espaço, sendo maior próximo das suas fontes, que são o solo ou superfícies livres de água. Existem diferentes maneiras de exprimir a concentração de vapor de água na atmosfera, das quais algumas estão mostradas abaixo Humidade absoluta, ou densidade do vapor: V m V V Pressão parcial de vapor, ou mais simplesmente pressão de vapor : e V R V Quanto maior fôr o número de moléculas de água, maior será a pressão de vapor. Nota-se que a pressão total da mistura é: T p p d e Onde p d é a pressão parcial da parte seca do ar que constitui a mistura Razão de mistura: é a razão entre a massa de vapor e a massa de ar seco. w m m V d Normalmente usam-se as unidades (g/kg) porque a massa de vapor é muito pequena em relação `a de ar seco. Cláudio Paulo & Gilberto Mahumane Página 6

7 4.2.4 Humidade relativa: é expressa como a razão em percentagem entre a quantidade de vapor existente e a máxima quantidade de vapor possível à mesma temperatura, isto é, se o ar estivesse saturado: RH 100( w ws ) Onde w s é a razão de mistura de saturação: w s e s ( p es ) Note que a humidade relativa dá uma ideia do quanto falta para o ar ficar saturado. Quer dizer, mesmo que a quantidade de vapor seja pequena, a temperatura pode ser tão baixa que por uma pequena diminuição posterior da mesma, o ponto de saturação seja atingido Ponto de orvalho: é a temperatura à qual a parcela de ar húmido atinge a saturação. Assim, dada uma parcela na qual a pressão de vapor seja e, a temperatura do ponto de orvalho ( T d ) deve obedecer à equação: e e s ( T d ) A expressão da humidade relativa pode então ser escrita numa forma alternativa: RH e ( T ) e ( T) s d s Em registos e mensagens meteorológicas, normalmente são dados T e T d a partir dos quais se podem obter as outras grandezas relativas à humidade. Cláudio Paulo & Gilberto Mahumane Página 7

8 4.2.6 Orvalho e Neblina Outro processo interessante é o seguinte: suponha-se ar húmido à temperatura de 16 0 C e com pressão de vapor de 12,3mb. À essa temperatura, a pressão de vapor de saturação é de 18,3mb. Isso quer dizer que o ar não está saturado. Porém, se a temperatura diminuir, sem alterar a quantidade de vapor, a pressão de vapor não vai-se alterar e, quando atingir o valor de 10 0 C, o ar terá exactamente a quantidade de vapor correspondente à saturação. Uma diminuição posterior da temperatura vai fazer condensar parte do vapor, como no caso anterior. Este último processo é o que ocorre na formação do orvalho e da neblina. No caso do orvalho a superfície do solo ou das plantas esfria, devido à perda de energia por emissão de radiação infravermelha durante a noite, e com elas esfria o ar imediatamente adjacente, até atingir o ponto de saturação quando então o vapor se condensa sobre a superfície. Essa temperatura de saturação para uma dada pressão de vapor é chamada ponto de orvalho. No caso da neblina, o resfriamento do ar faz com que se atinja o ponto de orvalho, mas o vapor se condensa na forma de gotas suspensas. 4.3 Nuvens Nuvem é um aglomerado de partículas de água (no formato de vapor de água condensado) ou gelo que se forma na atmosfera terrestre (Vide a Figura 4.3). São visíveis e podem ter cores variadas (do branco ao cinza escuro). Quanto mais escuras, mais carregadas de vapor de água elas estão. As formas variam de acordo com a velocidade do vento e a quantidade de água que possuem. Cláudio Paulo & Gilberto Mahumane Página 8

9 Figura 4.3: Nuvens. Fundamentais para a formação das chuvas. As nuvens são formadas a partir da evaporação da água de rios, mares, lagos, piscinas e até mesmo do corpo humano (através da transpiração). O vapor de água se condensa e forma a nuvem. Quando as nuvens ficam muito carregadas de água e atingem altitudes elevadas, diminuindo assim a temperatura, ocorrem as chuvas. Importa salientar que através da observação das nuvens podemos observar, ou identificar, as condições atmosféricas de determinado local, pois estas reflectem em sua quantidade, forma e estrutura. Para que haja a formação de nuvens é necessário que parte do vapor d água contido na atmosfera se condense, formando pequenas gotículas de água, ou solidifique, formando minúsculos cristais de gelo. A esta formação, ou aglomerado de cristais de gelo e gotículas damos o nome de nebulosidade. Uma característica que diferencia os variados tipos de nuvens é a altura em que elas se formam, ou onde se encontra sua base e seu topo. Mas, é importante lembrar, que esta altura varia conforme a posição geográfica (latitudinal) da região considerada. Por exemplo, na região tropical a altura mínima (estágio baixo) e máxima (estágio alto) de uma nuvem costuma ser a 2 km e 18 km de altura da superfície respectivamente, enquanto nas regiões polares e temperadas as distâncias são, respectivamente, 2 km e 8 km, e 2 km e 13 km. Cláudio Paulo & Gilberto Mahumane Página 9

10 Existem vários tipos de nuvens. Os mais comuns são: cirrus (formato delicado e sedoso), stratus (nuvens baixas de cor cinza) e cumulonimbus (grandes e cinzas, possuem grande quantidade de água, nuvens de trovoadas) (Vide a Figura 4.6). Figura 4.4: Imagens de Cirrus (Esquerda), Stratus (Centro) e Cumulonimbus (Direita) Processo da formação das nuvens Quando uma parcela de ar húmido é obrigada a subir, ela se resfria adiabaticamente até uma temperatura em que o ar contido nela fique saturado. O nível em que isso acontece é chamado nível de condensação por levantamento (NCL). Desse nível para cima, a parcela fica ainda mais fria, e a parte da humidade é obrigada a condensar em gotículas de água que aumentam de volume à medida que a parcela sobe e à medida que mais ar húmido chega àquele nível vindo de baixo. Embora os processos sejam diferentes, a neblina também é uma nuvem, formada próximo à superfície. Na quase totalidade das nuvens de água líquida, cada gota se forma a partir de uma partícula higroscópica que absorve as primeiras moléculas de água. Se não houvesse essas partículas, a temperatura teria que diminuir até muito abaixo do ponto de orvalho para iniciar a condensação. Essas partículas, também chamadas núcleos de condensação, ou aerossóis, têm sua origem na superfície, podendo ser pó, fumaça, sal do mar ou compostos contidos na poluição atmosférica. Assim, sua concentração é maior sobre cidades e florestas e menor sobre o mar. Da concentração de núcleos de condensação depende o tamanho das gotas formadas, uma vez que quanto menor o número de gotas, maior a Cláudio Paulo & Gilberto Mahumane Página 10

11 disponibilidade de vapor de água para cada gota. Se as gotas crescem o suficiente para vencer o arrasto da corrente de ar ascendente, elas podem cair em direcção à superfície como chuva ou precipitação. 4.4 O Cíclo Hidrológico O ciclo da água (conhecido cientificamente como o ciclo hidrológico: Figura 4.5) refere-se à troca contínua de água na hidrosfera, entre a atmosfera, a água do solo, águas superficiais, subterrâneas e das plantas. Ou pode ser definido como a sequência fechada de fenómenos pelos quais a água passa do globo terrestre para a atmosfera, na fase de vapor, e regressa àquele, nas fases líquida e sólida. Figura 4.5: Esquema do Ciclo Hidrológico (ou ciclo da água). A água se move perpetuamente através de cada uma destas regiões no ciclo da água constituindo os seguintes processos de transferência: Evaporação dos oceanos e outros corpos d'água no ar e transpiração das plantas terrestres e animais para o ar. Cláudio Paulo & Gilberto Mahumane Página 11

12 Precipitação, pela condensação do vapor de água do ar e caindo para a terra ou no mar. Escoamento da terra geralmente atinge o mar. Cláudio Paulo & Gilberto Mahumane Página 12

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