Termodinâmica da Atmosfera e Física de Nuvens MET FN-1 (4 h.a.)

Transcrição

1 Trmodinâmica da Atmofra Fíica d Nuvn MET FN-1 (4 h.a.) Marco Daiuk Oyama 1. Introdução 2. Claificação d nuvn 3. Equilíbrio L V Intituto d Aronáutica Epaço 2017

2 1. Concito iniciai 2

3 3 Tmptad iolada* * Nuvm cumulonimbu (Cb) iolada

4 4 Fa da áua topo vapor vapor otícula critai vapor ba ota d chuva

5 5 O qu é viívl? inviívl vapor viívl ba vapor topo otícula critai vapor prcipitação

6 6 Circulação corrnt acndnt (updraft) corrnt dcndnt (downdraft)

7 7 Papl do mpuxo corrnt acndnt (updraft) ρ mnor T maior condnação ρ iual ρ maior T mnor vaporação corrnt dcndnt (downdraft)

8 8 USL & cold pool updraft downdraft updraft ourc layr ut front cold pool prcipitação

9 9 Ciclo d vida: USL cold pool USL cold pool

10 10 Etáio maduro updraft ~1 µm otícula pquna ~1 mm condnado rand downdraft updraft ourc layr ut front cold pool prcipitação

11 11 Microfíica d nuvn updraft ~1 µm proco microfíico otícula pquna ~1 mm condnado rand downdraft updraft ourc layr ut front cold pool prcipitação crcimnto d 1000 vz!

12 Vião ral do proco microfíico 12 nuclação nacimnto do condnado condnação (V L) dpoição (V S) crcimnto a partir do vapor colta crcimnto a partir da colta d condnado mnor

13 13 Ecala paciai cala pacial aumnta partícula d nuvn nuvn individuai itma atmoférico partícula individuai conjunto d partícula

14 14 Foco da diciplina cala pacial aumnta partícula d nuvn nuvn individuai itma atmoférico partícula individuai conjunto d partícula tudar o proco báico qu nvolvm a partícula individuai

15 15 Ma... cala pacial aumnta partícula d nuvn nuvn individuai partícula conjunto d individuai partícula itma atmoférico intr maior do mtoroloita ditância muito rand

16 Para qu rv tudar a microfíica da nuvn? 16 Entndr o proco qu rlacionam a condiçõ atmoférica à ocorrência do vnto d intr (como vnto d tmpo vro) Entndr a dificuldad do modlo atmoférico m imular a prcipitação (particularmnt a tratiform) Entndr a iman d radar

17 2. Claificação d nuvn 17

18 18 O qu ão nuvn? Gotícula d áua & critai d lo m upnão na atmofra. - movimnto browniano (0,1 a 10 µm) - corrnt turbulnta (poira) - corrnt acndnt (updraft)

19 19 Dimnão (1 mm) µm molécula do ar aroói otícula d áua ota d chuva (updraft não conum mantr m upnão)

20 20 Nuvn qunt fria vapor otícula upr-rfriada critai d lo vapor otícula d áua nuvm fria nuvm qunt 0 o C Por razõ didática, o proco microfíico ão tudado para nuvn qunt fria paradamnt.

21 21 Critério para claificação forma altura da ba da nuvm

22 Forma 22

23 Gênro 23 St: tratu Sc: tratocumulu Cu: cumulu Cb: cumulonimbu chuva ubtancial A: altotratu Ac: altocumulu N: nimbotratu C: cirrotratu Cc: cirrocumulu Ci: cirru polar latitud média tropical éta* tratiform contínua dcontínua < 2 km baixa St Sc 2-4 km 2-7 km 2-8 km média A N Ac convctiva iolada Cu Cb 3-8 km 5-13 km 6-18 km alta C Cc Ci * intrvalo d altura m qu a nuvn ocorrm [ ba da nuvm ] Rmark from th WMO Intrnational Cloud Atla: -A i uually found in th middl lvl, but it oftn xtnd hihr. -N i almot alway found in th middl lvl, but it uually xtnd into th othr two lvl. -Cu and Cb uually hav thir ba in th low lvl, but thir vrtical xtnt i oftn o rat that thir top may rach into th middl and hih lvl.

24 24 Stratu (St) Stratocumulu (Sc) St Sc cobr todo o céu curo (cinza) para um obrvador m uprfíci branco brilhant quando vito d cima poibilidad d aroa lmnto poum ~5 ba arçada

25 25 Nvoiro Stratu (St) - Nvoiro: nuvm tratiform contínua com a ba à uprfíci. - Tm íntima rlação com nuvn tratu (St).

26 26 Altotratu (A) Altocumulu (Ac) A coroa Ac A lmnto ntr 1 5

27 Cirru (Ci), Cirrotratu (C) Cirrocumulu (Cc) 27 Ci C halo Cc Ci apcto fibroo cor branca C lmnto < 1

28 28 Altotratu (A) ou Cirrotratu (C)? A (coroa; otícula) C (halo; critai)

29 29 Cumulu (Cu) Cumulonimbu (Cb) Cu Cb lmnto dipro plo céu ba plana curo na ba brilhant no topo topo mlhant a um couv-flor topo varia m cala d minuto podm tornar Cb chuva convctiva rand xtnão vrtical formato d biorna no topo ba muito cura; pod ocorrr prcipitação qu não cha ao olo (vira) atividad létrica chuva ubtancial, intna d duração rlativamnt pquna [a chuva tá aociada a fort corrnt dcndnt (downdraft): rajada d vnto frio]

30 30 Tranição: Cu, TCu* Cb Cu TCu Cb Cb * Towrin cumulu

31 31 Nimbotratu (N) N nuvm tratiform com chuva ubtancial cobr todo o céu topo pod char até a tropopaua (d forma mlhant a Cb) ba muito cura; impd batant a paam d radiação olar podm xitir pquna nuvn baixa arçada qu paam (rapidamnt) ntr a ba do N a uprfíci chuva rtrin batant a viibilidad chuva ubtancial, d intnidad modrada, contínua qu cobr rand ára chuva tratiform

32 32 Tipo báico d N km ~12 ~3 a 7 fraca convcção N lo convcção intna Cb N

33 33 Cb N d topo alto proco microfíico ão difrnt Cb N curta duração chuva convctiva lona duração chuva tratiform

34 34 Mcanimo lmntar d ração Nuvn convctiva: acnão d parcla d ar qunt m ambint condicionalmnt intávl. Exmplo: Cb Nuvn tratiform: acnão forçada m ambint távl. Exmplo: nuvn ororáfica.

35 35 Para abr mai Atla d nuvn oficial (WMO):

36 3. Equilíbrio L V 36

37 37 Prõ parciai d quilíbrio prão parcial d vapor para havr quilíbrio (i.., para a intrfac mantr inaltrada) uprfíci plana fra & áua pura fra & oluto diolvido conhcmo

38 38 Parâmtro d uma otícula f r r : raio f : fração molar = n w n w + n uprfíci plana: r áua pura: f = 1 olução diluída: f ~ 1

39 39 Índic d diociação (i) m n = NaCl Na + + Cl M n = i m M 1 mol 1 mol 1 mol 2 mol i = 2

40 A prõ parciai d quilíbrio dpndm d quai variávi? 40 uprfíci plana fra & áua pura fra & oluto diolvido = ( T ) ( T r) =, = ( T, r f ), conhcmo

41 41 Fórmula d Klvin = xp R 2σ ρ 1 v w T r R v = 461 J K -1 k -1 ρ w = dnidad da otícula = 10 3 k m -3 (0 C) σ = tnão uprficial = 0,0756 J m -2 (0 C) nria para formar a intrfac = σ ára da otícula

42 42 Gráfico para 0 C 3 1,2 10 = xp r (r m µm)

43 43 Análi inicial (1) 3% 2% 1% é mpr maior qu : upraturação é ncária para mantr otícula d áua pura 0% S S = 1

44 44 Análi inicial (2) S 3% 2% quanto mnor a otícula, maior a upraturação ncária para mantê-la 1% para otícula rand 0%

45 45 Gotícula com oluto diolvido n f = 1 li d Raoult ( ) ( ) w w w w w m m M M i n n n n n f + = + = + = =

46 46 Curva d Köhlr m oluto com oluto diolvido 1 r

47 47 Análi inicial S* ur um máximo (r*; S*) para otícula rand 1 r* quanto mnor a otícula, mnor a upraturação ncária para mantê-la r

48 48 Efito do aumnto d oluto S (%) oluto aumnta: S* diminui r* aumnta UR (%) r (µm) 1: m oluto 2: k d NaCl 3: k d NaCl 4: k d NaCl 5: k d (NH 4 ) 2 SO 4 6: k d (NH 4 ) 2 SO 4

49 49 Efito d curvatura r T R w v σ ρ σ = 1 2 xp fito d curvatura T R a r a r T R w v w v ρ σ = + = ρ σ + 2, a dpnd d T

50 50 Efito d olução w w w w n n n n n n n f + = + = = << ( ) w w w w w w m M M i b r b r m M M i m m M M i πρ = π ρ = 4 3, fito d olução b dpnd da maa d oluto

51 51 Fórmula aproximada ab b a r a r b + = = { r b r a r ab r b r a + + = rproduz a curva d Köhlr

52 52 Análi da fórmula aproximada a 27bb 1+ b r m oluto 3 fito d curvatura domina a r 1 3b / a fito d olução domina plano m oluto r