Microfísica das Nuvens

Transcrição

1 Micofísica das Nuvens

2 O que podemos enconta dento de uma nuvem?

3 Como as nuvens se fomam? Uma pacela de a tem que atingi 100% de UR. O Vapo tem que condensa ou sublima. E finalmente os hidometeoos tem que cesce e chega a tamanhos de mm paa teem velocidade teminal maio que o empuxo.

4 Levantando a pacela de a

5 Como desceve o levantamento de uma pacela a? PARCELA AINDA NÃO ESTA SATURADA (UR < 100%) 1) Pacela de a não inteage com o ambiente: não há toca de massa não há toca de calo 2) Duante o pocesso de levantamento: a pacela sofe expansão adiabática (seco): Pela 1º lei da temodinâmica temos que du = dq dw Poém como dq = 0 (pocesso adiabático) du = -dw d = dt/dz = -g/c p = -9,8ºC/km

6 - 6 C/km -9,8C/km

7 PARCELA ATINGE A SATURAÇÃO, OU SEJA, A UR = 100% Isto implica em dq 0, uma vez que ocoe libeação de calo latente devido a condensação (T 0 o C) ou a sublimação (T 0 o C) do vapo d água. O calo dq = -Ldw s onde L é o calo latente libeado e dw s é o conteúdo de vapo d água condensado/sublimado. Lw s 1 dt R T o 6 C / s d 2 dz L w s 1 2 R c T p km

8 - 6 C/km -9,8C/km

9 Movimentos veticais: Convecção Convecção está associada a movimentos veticais de elementos de a. Povenientes das foças de empuxo e ou mecânica; Tanspote vetical de calo, massa e momento; Convecção atavés da foça de empuxo está associada à fomação de nuvens cumulus (convectivas) e epesenta a convesão de enegia témica em cinética. A aceleação povocada pelo empuxo: dz dt 2 2 g ( T T ' T ' ) Temo de empuxo T pacela e T atmosfea

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11 FORMAÇÃO DAS NUVENS

12 Resumo do cescimento das gotículas e cistais de gelo dento de uma nuvem aceção

13 Fomação e Cescimento Gotículas de água Condensação Colisão/Coalescência Cistais de Gelo Congelamento Sublimação (Deposição) Aceção Agegação Podução secundáia Deetimento

14 Mudança de Fase: Balanço ente a Pessão de Vapo da Pacela e a Pessão de Vapo de Satuação

15 Equação de Clausius-Clapeyon Evapoação X Condensação As moléculas de água estão constantemente saindo e voltando à supefície de água líquida: Evapoação: mais moléculas deixam a supefície água do que adeem Condensação: mais moléculas adeem a supefície água do que deixam Pessão de vapo (e): pessão execida pelo vapo d'água conta a supefície de água líquida

16 Evapoação Quando o equilíbio é alcançado, as taxas de condensação e evapoação são iguais e a tempeatua do a e do vapo se igualam a do liquido. Potanto não há tansfeência liquida de uma fase paa a outa. Logo o a acima do liquido é dito satuado em elação ao vapo d água. Condensação

17 Equação de Clausius-Clapeyon de dt s T L v ( 2 1) >0 de dt s i T L s ( 2 3 ) >0 de dt sf T L f ( 1 3 ) < 0 Integando a equação des/dt temos a Pessão Vapo de Satuação paa a tansição do vapo liquido: E s0 = 6,11 mb T 0 = 273,15 K e s e so exp L R v v 1 To 1 T

18 Diagama que esquematiza as possíveis situações ente e, es, e ei em uma nuvem com fase mista: (a) e > es e e > ei pocesso onde tanto as gotas liquidas como as paticulas de gelo cescem; (b) e < es e e > ei pocesso onde as gotículas líquidas evapoam e as patículas de gelo cescem pocesso de WBF; (c) e < es e e < ei pocesso onde tanto as gotículas de água como as paticulas de gelo evapoam. Koolev, JAS 2006.

19 Fomação das gotículas de água Paa a fomação das gotículas de água é necesssáio ompe a enegia live de Gibs que é alta, pois a tansição de fase não ocoe no equilíbio de satuação da água. Em outas palavas, se uma pacela de a úmido fosse esfiada adiabaticamente até o ponto de equilíbio de satuação da água não devemos espea a fomação de nuvens. Na vedade, o vapo de água puo começa a condensa somente quando a umidade elativa alcança algumas centenas (>>100%)!!!!!

20 Potanto, a pesença de aeossóis (µm e nano-m) que tem afinidade com a água sevem como centos de condensação (núcleos de condensação - CCN) e eduzem a pessão de vapo necessáia paa ocoe a condensação. Logo o pocesso no qual as gotas de água se fomam em CCNs é conhecido como nucleação heteogênea. Já a fomação de gotas a pati do vapo em um ambiente puo (sem aeossóis) é conhecido como nucleação homogênea.

21 É fato que existem núcleos de condensação suficientes na nuvem de foma que a supe-satuação não ultapassa 1% (UR 100%) Se uma nuvem com gotículas de água continua a ascende e atingi tempeatuas infeioes a 0 o C, temos que as gotículas de água não se congelam imediatamente (gotas de água supeesfiadas). Se a pessão de vapo fo maio que a pessão de vapo de satuação da água, a gotícula de água continua cescendo po condensação. Paa gotas de água pua, o congelamento homogêneo ocoeá somente quando a tempeatua atingi 40 o C. Po outo lado, o vapo disponível na nuvem começa a sublima sobe aeossóis (IN) e foma cistais de gelo.

22 Uma nuvem tem uma concentação de váias centenas de gotículas de água ou cistais de gelo po cm 3 com aio ~ 10 m. A pecipitação se desenvolve quando a população de gotículas de água tona-se instável: gotículas cescem as custas das outas (colisão seguida de coalescência); paa T < 0 o C, cistais de gelo cescem as custas das gotículas de água supe-esfiada (evapoação e aceção) Pessao de Vapo (mb) ES-Ei Tempeatua (C)

23 Uma vez que os cistais de gelo cesceam po difusão a tamanhos apeciáveis e maioes que as gotículas de água, eles começam a cai elativamente em elação a elas e colisões tonam-se possíveis. Se as colisões são basicamente ente cistais de gelo, flocos de neve se fomam. Se gotas de água são coletadas e congelam-se após o contato, pedas de gelo pequeno ou ganizo podem se foma. Uma vez que as patículas caem abaixo da isotema de 0 o C, o deetimento pode ocoe e as patículas que emegem a pati da base da nuvem como gotas de chuva são indistinguíveis das que foam fomadas po colisão/coalescência.

24 Dimensão das Patículas

25 Resumo do cescimento das gotículas e cistais de gelo dento de uma nuvem aceção

26 Fomação e Cescimento Gotículas de água Condensação Colisão/Coalescência Cistais de Gelo Congelamento Sublimação (Deposição) Aceção Agegação Podução secundáia Deetimento

27 Gotículas de água: Condensação Difusão de Vapo dm dt 4 D ( v v ) R Condução de Calo 4 K ( T T dm ) dt L v d/dt não é cte Obs: D coeficiente de difusão, v densidade vapo, L v calo latente de vapoização, gota de água e ambiente

28 Clausius Clapeyon e s ( T ) e s e s ( T ) exp L R v v T 1 1 T Pessão de Vapo de Satuação sobe a gotícula Kohle e e s S 1 a b 3 Pessão de Vapo necessáia paa a gotícula se ativada: Efeito de Cuvatua + Soluto Difusão de Vapo dm 4 D ( ) v v dt Condução de Calo dm 4 K ( T T ) dt L v

29 d dt F d S F e e k s e e s S = e/e s Satuação do a ambiente F d l R De v T s F k L KR v 2 v T l 2 Fk = temo temodinâmico que está associado a condução de calo e Fd = temo de difusão do vapo

30 d dt F d S F e e k s e e s S = e/e s Satuação do a ambiente A gotícula iá cesce quando o ambiente estive supe satuado (UR>100%), potanto a condensação só ocoe quando : S e e s

31 Exemplo: gota se foma com 100% de UR Se e e s 1 d dt S 1 F k F d Podemos intega a equação acima e avalia como uma gotícula de aio 0 iá cesce até um aio em um tempo t ( t ) 0 d t 0 F S k 1 F d dt

32 t F F S t d k 1 2 ) ( t F F S t d k 1 2 ) ( 2 0 Logo a Equação de cescimento po condensação pode se descita po uma lei/cuva paabólica

33 ( t ) F S k 1 F d t Se S > 1 Condensação (na nuvem) Se S < 1 Evapoação (foa da nuvem)

34 S=1,015 S=1,01 S=1,005 R0 = 1 um

35 Incluindo o efeito do Soluto d dt ( S 1) F d F a k e e s b 3 Quando as gotas são pequenas ( < 10m ) a b 3 Paa gotas maioes (S-1) é dominante.

36 Po exemplo, assumindo uma velocidade vetical (u=dz/dt) de 15 cm/s e uma concentação de CCN modeada na base da nuvem, Mody (1959) obsevou os seguintes esultados, Figua 1.

37 S Figua 1. Cescimento de gotículas de nuvens (cuva contínua peta) paa difeentes massas e vaiação da supe-satuação acima da base da nuvem (Adaptado de Mody, 1959) (linha tacejada em vemelho)

38 Gotículas de água: Colisão/Coalescência A medida que a gotícula cesce, colisões podem ocoe e as váias inteações ocoem: 1) Rebatem a pate; 2) Coalescem; 3) Coalescem tempoaiamente e se sepaam, apaentemente etendo suas identidades inicias; 4) Coalescem tempoaiamente e se quebam em váias gotículas menoes Paa gotas com aios menoes que 100 m as inteações (1) e (2) são as mais impotantes

39 Gotículas de água: Colisão/Coalescência 2 R, R V V dm W E l 2 1 dt dr dt 2 R V V R l 1 E R, W l dr dt Wl contéudo de água liquida; E(R,) eficiência de coleta EW 4 V MODELO DE BOWEN l l 2

40 Obs: a gota coletoa segue a lei de Stokes: dr dt V CR 2 2 EW 4 l l K V 1 2 CEW 4 l l cte Gotículas de água: Colisão/Coalescência R ( t ) Ro dr R 2 K 1 t 0 dt R ( t ) 1 R K 0 1 R 0 t Integando de um estágio inicial Ro até R(t) podemos sabe qual seá o aio da gota no instante t

41 Distibuição de Gotículas S 1 = 10 m S 2 = 20 m (a) Todas as colisões possíveis (b) Somente colisões ente a S1

42 Condensação e Coalescência via pocesso Estocástico (a) Sem Condensação (b) Com Condensação Fig Yau e Rodges, Adaptado De Ryan, 1974)

43 Como são fomados os cistais de gelo dento dessas pacelas de a? Quando a pacela atinge T < 0 o C: Gotículas supeesfiadas até T ~ -40 o C Congelamento de gotículas Sublimação Se vapo na nuvem esta satuado em elação à água líquida, estaá supesatuado em elação ao gelo: e s-líq () > e s-sól () Cescimento ~ dezenas micons em alguns minutos

44 Cistais de gelo: Congelamento/Deposição (*) Congelamento homogêneo das gotículas de água Satuação gelo (*) nucleação homogênea Congelamento po Imesão de (2) uma solução (1) nucleação heteogênea (4) Condensação/ congelamento Congelamento po imesão Congelamento po contato (3) (2) Hoose, C. and Möhle, O.: Heteogeneous ice nucleation on atmospheic aeosols: a eview of esults fom laboatoy expeiments, Atmos. Chem. Phys., 12, , doi: /acp , 2012.

45 Cistais de gelo: Deposição Núcleos de Gelo

46 Habitat dos Cistais de Gelo e > e s Água supeesfiada Água evapoando e s > e > e i A tempeatua contola o eixo do cescimento do cistal [ a pato e c pisma] A pesença de água leva a fomação de fomas mais complexas Kenneth G Libbecht 2005 Rep. Pog. Phys (c) (a)

47 Cistais de gelo: Deposição dm dt dm 4 CD v vc L 4 CK T T S c dt Equação de difusão de vapo Equação de condução de calo C Capacitância ou fato de foma; D Coeficiente de Difusidade; K Coeficiente de Condutividade témica do a; Tc tempeatua do cistal e T tempeatua do a ambiente vc densidade do vapo d água sobe o cistal v densidade do vapo d água do ambiente

48 lembando que a eq. de Claussius Clapeyon paa o gelo é dada po: Assumindo que a difeença {T -T c } (ambiente cistal) é bem pequena, podemos lineaiza a equação de C.C acima, e expessa a equação de cescimento como: Como no caso das gotículas de água, o cescimento depende da tempeatua e da pessão de vapo. c V S si si T T R L T e T e 1 1 exp ) ( ) ( CK T R L CDe T R S dt dm V S si V i

49 Cescimento de Cistais de Gelo vesus o de Coalescência Tempo (segundos) 1/m dm/dt (segundos)

50 Cistais de gelo: Aceção/Agegação Aceção é definida como o pocesso o qual as patículas gandes de pecipitação captuam as patículas pequenas. Entetanto, o pocesso de aceção é esevado paa a captua de gotículas de água supe-esfiada po patículas pecipitáveis de gelo. Se uma gota se congela imediatamente após o contato, cistais de gelo colados ou gaupel são poduzidos. (iming) Se o congelamento não é imediato, estutuas mais densas são ciadas, tais como o ganizo. Agegação é o apanhado de váios cistais de gelo e leva a fomação de flocos de neve.

51 Analogamente ao pocesso de colisão-coalescência, a equação de cescimento do gelo pelos pocessos de aceção e agegação pode se descita como: dm dt E W l R 2 u ( R ) onde m é a massa da patícula, E é a eficiência média de coleta, W l é o conteúdo de água liquida ou gelo se fo agegação, R é o aio da patícula, e u(r) é a velocidade teminal. Rime - congelada gaupel ganizo

52 Cistais de gelo: Pocessos secundáios Além dos pocessos mencionados anteiomente, temos uma podução secundáia de cistais de gelo poveniente da multiplicação dos cistais de gelo pimáio (Pocesso de Hallett Mossop) Dois mecanismos são econhecidos como podução secundáia de gelo: Fatua dos cistais de gelo; Chuvisco ou queba das gotas congeladas; Além disso, acedita-se também que duante a captua de gotículas de água supe-esfiadas pelo gaupel, existe uma gande pobabilidade de te fagmentos. (impotante paa eletificação)

53 Pocesso Hallett Mossop - Rime splinteing Fagmentos duante o congelamento. Quando a concentação de cistais de gelo excede em ~10 mil X a concentação de IN, acedita-se que as gotículas de água supe-esfiada coletadas pelo gaupel acabam se quebando ao congelaem na supefíce do gaupel. De acodo com esta teoia, os cistais de gelo poduzidos ente -3 e -8 C ( máximo em -4 C) tais com o gaupel, cescem a pati da aceção de gotículas de nuvem menoes que 12 μm e maioes que 25 μm. Sendo que ~ 50 fagmentos de gelo são poduzidos paa cada miligama de gelo acescido. HALLETT, J.AU - MOSSOP, S. C.TI - Poduction of seconday ice paticles duing the iming pocess, Natue,

54 Cistal de Gelo:Deetimento do gelo McGill JS Mashall Rada Obsevatoy

55 Concentação (m -3 ) Dimensão das patículas de gelo Tamanho máximo (micons) Fonte dados: Hallet