Estabilidade Desenvolvimento das Nuvens

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1 Estabilidade Desenvolvimento das Nuvens

2 Por que a estabilidade é importante? O movimento vertical é parte crítica no transporte de energia e influencia intensamente o ciclo hidrológico Sem movimento vertical não haveria precipitação, mistura dos poluentes o tempo como o conhecemos não existiria. Existem dois tipos de movimento vertical: Movimento forçado: ar forçado a subir sobre uma montanha, sobre o ar mais frio (frentes) ou por convergência horizontal Movimento de empuxo: no qual o ar sobe porque é menos denso do que o ar nas vizinhanças a estabilidade é especialmente importante aqui

3 Estabilidade na atmosfera Perturbação inicial Estável Instável Neutra Se uma parcela de ar é deslocada de sua posição original ela pode: Retornar à sua altura original - Estável Acelerar para cima porque ela é leve - Instável Ficar no lugar para o qual foi deslocada - Neutra

4 Trocando altitude por calor Existem dois tipos de energia estática na parcela: energia potencial (devido à sua altitude) e entalpia (devido aos movimentos das moléculas) 1 a Lei da Termodinâmica S c T g z p Variação na energia estática Variação na entalpia Variação na energia potencial gravitacional

5 Trocando altitude por calor (cont) Suponha que uma parcela não troque energia com a vizinhança... este estado é chamado de adiabático, que significa nenhum ganho e nenhuma perda de energia p 0 p c T g z c T g z T z g c p g = 9,8 m/s 2 cp = 1004 J K -1 kg 1 J = N.m Lapse rate adiabático seco

6 Estabilidade e o lapse rate adiabático A estabilidade atmosférica depende do lapse rate do ambiente Uma parcela com ar nãosaturado resfria de acordo com a adiabática seca Se a parcerla de ar está mais quente do que o ar vizinho, é menos densa e o empuxo acelera o movimento ascendente vizinhança mais fria do que o ar vizinho, é mais densa e o empuxo força o movimento descendente seco

7 Uma parcela de ar saturado em ascenção esfria menos do que uma parcela nãosaturada! Se uma parcela de ar torna-se satura, ocorre a condensação A condensação aquece a parcela de ar devido à liberação de calor latente Asim, uma parcela em ascenção aquece menos se estiver saturada Define um lapse rate adiabático úmido ~ 6 o C/1000 m não é constante (varia entre ~ 3-9 o C) depende de T e P

8 Estabilidade e lapse rate adiabático úmido A estabilidade atmosférica depende do lapse rate do ambiente Uma parcela saturada em ascenção esfria de acordo com o lapse rate adiabático úmido Quando o lapse rate do ambiente é menor do que o lapse rate úmido, a atmosfera está absolutamente estável Observe que o lapse rate seco é maior do que o úmido Que tipo de nuvem você espera que se forme se o ar saturado é forçado a subir numa atmosfera absolutamente estável? dry

9 Quais as condições que contribuem para uma atmosfera estável? Resfriamento radiativo da superfície à noite Advecção de ar frio próximo à superfície Ar movendo-se sobre uma superfície fria (e.g., neve) Aquecimento adiabático devido à compressão por subsidência Se uma camada subside, comprime-se pelo peso da atmosfera e afunda vertical/. A parte superior da camada afunda mais do que a inferior pois a pressão ao redor é menor, aquecendo-se mais.

10 Instabilidade absoluta A atmosfera fica absolutamente instável se a TVVT do ambiente é maior do que as TVVT úmida e seca. Esta situação não é duradoura Resulta comumente do aquecimento da superfície e fica confinada a camadas rasas próximas à superfície A mistura vertical pode eliminar a instabilidade absoluta A mistura provê uma TVVT adiabática seca na camada misturada, a menos que ocorra condensação (formação de nuvens), neste caso seria adiabática úmida

11 Instabilidade absoluta (exemplos)

12 Ar condicionalmente instável O que acontece se a TVVT do ambiente cai entre a adiabática seca e a úmida? A atmosfera é instável para parcelas saturadas mas estável para parelas não-saturadas Esta situação é chamada de condicionalmente instável Esta é a situação típica na atmosfera

13 Quais as condições que aumentam a instabilidade atmosférica? Resfriamento do ar em camadas superiores advecção fria acima resfriamento radiativo do ar/nuvens em camadas superiores Aquecimento do ar na superfície aquecimento solar da superfície advecção quente próxima à superfície ar movendo-se sobre uma superfície quente (e.g., corpo de água quente) Levantamento de uma camada de ar e o estiramento associado especialmente se a base da camada é úmida e o topo, seco

14 Desenvolvimento das Nuvens As nuvens se formam conforme o ar sobe, expande e resfria A maioria das nuvens forma-se por Aquecimento da superfície e convecção livre Levantamento do ar sobre uma topografia Levantamento do ar devido à convergência superficial Levantamento ao longo das frentes

15 Desenvolvimento de Cumulus - Ar sobe devido ao aquecimento da superfície UR cresce conforme a parcela em ascenção resfria As nuvens se formam com UR ~ 100% A ascenção é fortemente inibida na base da camada de inversão por subsidência produzida por movimentos descendentes associados a sistemas de alta pressão Ar subsidente é encontrado entre elementos de nuvem Por que? nuvens de bom tempo

16 Desenvolvimento esquemático de Cumulus nuvem de bom tempo

17 Quais são as condições necessárias para o desenvolvimento de nuvens profundas de Cumulus? O perfil menos estável da atmosfera (lapse rate mais intenso) permite maior desenvolvimento vertical Maior quantidade de umidade em baixos níveis permite o maior aquecimento da parcela pela maior liberação de calor latente, acelerando-a para cima

18 Determinação da Base de Nuvens Convectivas Parcelas de ar seco resfriam à taxa da adiabática seca ( ~ 10 o C/km) A temperatura de ponto de orvalho decresce a uma taxa de ~ 2 o C/km Isto significa que a temperatura do ponto de orvalho se aproxima da temperatura da parcela a uma taxa de 8 o C/km Se a depressão de ponto de orvalho é 4 o C na superfície, a base da nuvem se formaria a uma altura de 500 m. A base da nuvem ocorre quando o ponto de orvalho = temp da parcela (UR = 100%) Cada grau de diferença entre a temperatura da superfície e a do ponto de orvalho produz um aumento na elevação da base da nuvem de 125 metros.

19 DETERMINAÇÃO DA BASE DA NUVEM Dry adiabats d Ar mais seco produz bases de nuvens mais altas; Ar mais úmido produz bases de nuvens mais baixas

20 Determinação do topo de nuvens convectivas O topo da nuvem é definido pelo limite superior de ascenção da parcela de ar A área entre o lapse rate seco/úmido e o lapse rate do ambiente pode ser dividida em duas partes Uma parte com aceleração positiva onde a parcela está mais quente do que o ambiente Uma parte com aceleração negativa, onde a parcela está mais fria do que o ambiente O topo da nuvem é aproximadamente igual à altitude onde a área de aceleração negativa é igual à área de aceleração positiva

21 DETERMINAÇÃO DO TOPO DE NUVEM CONVECTIVA TOPO DA NUVEM LAPSE RATE AMBIENTAL ALTURA EM km EMPUXO NEGATIVO EMPUXO POSITIVO LAPSE RATE ÚMIDO BASE DA NUVEM TEMPERATURA

22 Nuvens Orográficas O levantamento forçado ao longo de uma barreira topográfica provoca a expansão e resfriamento de uma parcela Nuvens e precipitação desenvolvem-se freqüentemente a barlavento de um obstáculo Ar seco desce a sotavento da barrerira Ar seco desce pela adiabática seca, portanto se aquece mais e, como é mais seco, T d é menor

23 Nuvens Lenticulares O ar estável escoando sobre uma montanha forma freqüentemente uma série de ondas Pense nas ondas formadas quando a água passa por uma pedra submersa O ar resfria durante a ascenção da parte ascendente da onda e aquece durante a parte descendente da onda As nuvens formam-se próximo à crista da onda Um grande turbilhão que gira foma-se abaixo de nuvens associadas à leewave Observados na formação de nuvens rotor Muito perigosos para aviões

24 Forma da Nuvem Aquecimento/resfriamento diferencial do topo e da base da nuvem de uma camada contínua de nuvem pode provocar a quebra em pequenos elementos de nuvens O topo das nuvens absorve radiação solar, mas resfria mais rapidamente por resfriamento radiativo A base das nuvens aquece por absorção de IV das camadas inferiores O resultado é que a camada de dentro da nuvem torna-se menos estável, mantendo a convecção