Capítulo 5 Formação e crescimento de Cristais de Gelo

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1 Capítulo 5 Formação e crescimento de Cristais de Gelo

2 Uma vez que as nuvens excedem altitudes aonde as temperaturas são menores que 0 o C existe uma grande probabilidade de termos a formação de cristais de gelo. Duas transições de fase levam a formação de cristais de gelo: congelamento das gotículas água liquidas; ou deposição direta (sublimação) do vapor em uma fase sólida (nucleação) Sendo que no processo de nucleação podemos ter tanto a: nucleação homogênea e ou heterogênea.

3 Um cristal de gelo recém criado em uma nuvem que conta com gotículas de água está em um ambiente altamente favorável para um crescimento rápido por difusão. Isto se deve ao fato de que o vapor dentro da nuvem está basicamente saturado em relação à água liquida, porém está super-saturado em relação ao gelo. Korolev, 2007

4 Pressao de Vapor (mb) Pressao de Vapor (mb) O processo de crescimento de gelo é similar às gotículas de água, sendo difusão de vapor seguido de coagulação. Para os cristais, entretanto, o crescimento por difusão de vapor é mais significativo do que para as gotículas de nuvem por causa da diferença entre a pressão de vapor da água e do gelo para Temperaturas abaixo de 0 o C. (es > ei) 0.50 ES-Ei ES Ei Temperatura (C) Temperatura (C)

5 Nucleação da Fase de Gelo O Congelamento homogêneo de gotas de água liquida pura ocorre somente quando flutuações estatísticas do re-arranjo molecular da água produzem estruturas estáveis de gelo, as quais podem servir como núcleos de gelo. Sendo que este processo de nucleação é função do tamanho do núcleo estável e da probabilidade de ocorrência de um núcleo embriônico de gelo a partir do re-arranjamento aleatório das moléculas de água.

6 Além disso, também depende da energia livre superficial da interface entre o gelo e o liquido [é análogo à tensão superficial da interface entre o liquido e vapor], que de acordo com valores experimentais ~ 2x10-2 N/m (20 erg/cm2). Dados experimentais mostram que gotículas menores que 5 m congelam-se espontaneamente a temperaturas de 40 o C. As gotas maiores começam a congelar a temperaturas mais quentes.

7 Congelamento das Gotículas P probabilidade de congelar Ts temperatura abaixo de 0 o C t segundos de exposicao V volume da gota em cm 3 a = 0,82 e K = 2,9 x 10-8 QJRMS, 1953, 79,

8 Fração das gotículas que congelaram em função da temperatura e tempo de congelamento (0,1 e 1 segundo). Neste experimento uma distribuição de goticulas de 5,10 e 20 m foram testadas (colunas). Note que de cada mil gotículas somente uma pequena fração fica Congelada neste intervalo de tempo. Por exemplo: 1 segundo de exposição: 12 gotas de 20 m se congelam a -42 o C.

9 Utilizando a expressão de Bigg (1953) a taxa de congelamento pode ser expressa como: Onde fw é a distribuição de tamanho de gotas de agua, m a massa da gota, a fr = 10-4 s -1 g -1 b fr = 0,66 o C -1 (Wisner et al., 1972). Wisner, C. Orvile, H.D., Meyers, C., 1972, A numerical modelo of hail bearing cloud. JAS, 29, 1160, 1181.

10 E o tempo necessário para congelar metade da gota com massa m: Temperatura 10 m 100 m 1000 m -20 o C 23 dias 33,3 minutos 2 segundos -30 o C 33,3 minutos 2 segundos 2 mili-segundos

11 Nas nuvens é raríssimo observar gotículas de água líquida abaixo de 40 o C (e estas são raríssimas) Dessa maneira, isto implica a ocorrência de congelamento heterogêneo entre 0 e 40 o C. Curry, J. A., et al. "Fire artic clouds experiment." Bulletin of the American Meteorological Society 81.1 (2000): 5.

12 Deposição homogênea ocorre quando moléculas de vapor formam embriões de gelo estáveis a partir de colisões. Apesar de não sabermos exatamente a energia livre superficial da interface entre o gelo/vapor, cálculos teóricos prevêem que a deposição por nucleação homogênea deve ocorrer em condições extremas de super-saturação [~ 20 X maior que a supersaturação com relação ao gelo para temperaturas ~ 0 o C, e valores mais alto ainda para temperaturas mais baixas]. Portanto podemos eliminar a idéia de deposição homogênea e afirmar que as gotículas de água se congelam primeiro (infelizmente não temos condição de identificar qual a formação original do cristal de gelo). Usualmente, um número apreciável de cristais de gelo aparece nas nuvens quando elas atingem T < 15 o C, significando assim a presença de nucleação heterogênea.

13 A água em contacto com a maioria dos materiais se congela à temperaturas maiores que 40 o C e a deposição pode ocorrer na maioria das superfícies com super-saturação e superresfriamento menor que os valores de nucleação homogênea. Portanto, pode-se concluir que a nucleação do gelo e água superresfriada em ambientes super-saturados estão resignados à presença de superfícies estranhas ou partículas suspensas para formarem cristais de gelo. Sendo que o material estranho providencia uma superfície na qual as moléculas de água se aglutinam, colam ou se juntam, e são capazes de formar estrutura agregadas de gelo. Quanto maior o agregado, mais estável ele será e maior a probabilidade de sua existência.

14 A probabilidade de congelamento ou deposição a partir da nucleação heterogênea depende fortemente das propriedades da superfície do material, tais como o super-resfriamento e a supersaturação. Quanto maior for a força entre as moléculas de água, comparado com a superfície, maior a probabilidade da superfície se parecer com um cristal de gelo plano, o que aumenta as chances da nucleação do gelo. Quando a interface (junta) e o acoplamento (agregação) dos cristais lattice é boa, a super-saturação e o super-resfriamento necessário para nucleação do gelo sobre a superfície será muito menor que da nucleação de gelo homogênea.

15 Nuvens super-resfriadas se desenvolvem a partir de uma grande gama (distribuição de tamanhos) de aerossóis, sendo que uma pequena parte dos aerossóis serve como núcleos de gelo (IN) para Temperaturas > 40 o C, limite da nucleação homogênea. Existem vários 4 mecanismos de nucleação do gelo, Figura 9.1; Geophysical Research Letters Volume 30, Issue 14, 1732, 17 JUL 2003 DOI: /2003GL

16 Adaptado Figura 9.1 Rogers e Yau Deposição Heterogênea 1) Gelo pode ser formar diretamente a partir da fase de vapor em um núcleo de deposição;

17 Adaptado Figura 9.1 Rogers e Yau Condensação seguida de congelamento 2) Alguns servem primeiro como centros de condensação, e então como núcleos de congelamento;

18 Adaptado Figura 9.1 Rogers e Yau Contato 3) Alguns promovem congelamento no instante do contacto com a gota super-resfriada;

19 Adaptado Figura 9.1 Rogers e Yau Imersão 4) Outros causam congelamento após serem embebidos pela gotícula. Uma partícula qualquer pode nuclear gelo de diferentes maneiras, dependendo das condições do ambiente e do estágio da nuvem.

20 Além disso, temos uma produção secundária de cristais de gelo, que é proveniente da multiplicação dos cristais de gelo primários. Dois mecanismos são reconhecidos como produção secundária de gelo: - Fratura dos cristais de gelo; - Chuvisco ou quebra das gotas congeladas; Além destes dois mecanismos, acredita-se que durante a captura de gotículas de água super-resfriadas pelo graupel, existe uma grande probabilidade de ter fragmentos.

21 Processo Hallett Mossop - Rime splintering Fragmentos de congelamento. Quando a concentração de cristais de gelo excede em ~10 mil X a concentração de IN, acredita-se que as gotículas de água superresfriada coletas pelo graupel acabam se quebrando ao congelarem na superfíce do graupel. De acordo com esta teoria, os cristais de gelo produzidos entre -3 a -8 C ( máximo em -4 C) tais com o graupel, crescem a partir da acreção de gotículas de nuvem menores que 12 μm e maiores que 25 μm. Sendo que ~ 50 fragmentos de gelo são produzido para cada miligrama de gelo acrescido. HALLETT, J.AU - MOSSOP, S. C.TI - Production of secondary ice particles during the riming process, Nature,

22 Hoose, C. and Möhler, O.: Heterogeneous ice nucleation on atmospheric aerosols: a review of results from laboratory experiments, Atmos. Chem. Phys., 12, , doi: /acp , 2012.

23 Núcleos de Gelo

24 Cristais de gelo que se formarão a partir da nucleação com Iodeto de Prata [

25 Classificação dos Cristais de Gelo: B. Mason, in The Physics of Clouds (Oxford University Press, 1971)

26

27 Coluna Dendrite Agulha Dendrite Prato Simples Dendrite Estrelar Rime Graupel Granizo

28 Habitat dos Cristais de Gelo e > e s Água evaporando e s > e > e i Kenneth G Libbrecht 2005 Rep. Prog. Phys

29 Prismas simples Pratos estrelares

30 Pratos setoriais Dendrites estrelares Dendrites estrelares tipo samambaia

31 Colunas ocas agulhas

32 Coluna com chapeu ou limitada Pratos duplos

33 Pratos separados ou estrelas Cristal triangular Floco de neve com 12 lados

34 Balas de roseta Dendrites espalhadores Cristal que se congela rime/graupel

35 Cristal irregular Neve artificial

36 Fase de Gelo nas Nuvens Os primeiros cristais de gelo estão associados aos núcleos de gelo, exceto em nuvens Cirrus onde a temperaturas baixas provocam o congelamento imediato da água. A existência de cristais de gelo em nuvens está relacionado com o tipo de nuven (cirrus, Cb, Nimbus Stratus, e etc), temperatura e o tempo de vida da nuvem (estágio do ciclo de vida). Em geral, nuvens com topos que excedem temperaturas abaixo de 20 o C tem gelo. Gelo é mais comum em nuvens do tipo Cumulus em decaimento do que em nuvens em desenvolvimento. Concentrações de cristais de gelo em nuvens podem variar desde limites muito baixos como 0,01 a 100 por litro. (10-5 a 0,1 cm -3 ).

37 Crescimento dos Cristais de Gelo por Difusão do Vapor Quando os primeiros cristais de gelo nucleiam na nuvem, eles se encontram em um ambiente onde a pressão de vapor é igual ou maior que a pressão de equilíbrio do vapor (e s ) sobre a água liquida. Neste sentido podemos avaliar a razão de saturação relativa ao gelo. onde S significa a razão de saturação com relação a água e S i em relação ao Gelo. i s i s s s s i i si i e e S e e e e e e e e e e e e S

38 A razão de super-saturação, (e s /e i )-1, ilustra que uma nuvem de água está altamente super-saturada em relação ao gelo, logo está em condições favoráveis para um rápido crescimento via difusão ou deposição de vapor. O ambiente será favorável desde que existam gotículas de água para evaporar e manter a pressão de vapor em equilíbrio com a água. Se por alguma razão as gotículas de água desaparecerem (evaporarem ou congelarem), a razão de saturação irá diminuir até o equilíbrio em relação ao gelo. Lembrese do artigo do Korolev (2007)

39 A complicação para definir uma equação de crescimento dos cristais do gelo por difusão de vapor se dever a forma não esférica dos cristais de gelo. Entretanto podemos utilizar uma analogia, tal qual a equação de Poisson da Eletrostática e o teorema de Green. Neste contexto assumimos que o fluxo de moléculas de água com um potencial induz uma corrente total de água para o gelo.

40 A partir desta analogia temos que: dm dt 4 CD L 4 CK T T v vc S dm dt c Equação de difusão de vapor Equação de condução de calor C Capacitância ou fator de forma; D Coeficiente de Difusidade; K Coeficiente de Condutividade térmica do ar; Tc temperatura do cristal e T temperatura do ar ambiente vc densidade do vapor d água sobre o cristal v densidade do vapor d água do ambiente

41 lembrando que a eq. de Claussius Clapeyron para o gelo é dada por: e si ( T ) e si ( T ) Assumindo que a diferença {T -T c } (ambiente cristal) é bem pequena, podemos linearizar a equação de C.C acima, e expressar a equação de crescimento como: exp L R S V T 1 T 1 c dm dt R T L V S 2 4 CDe R T 4 CK si S i 1 V 2 Como no caso das gotículas de água, o crescimento depende da temperatura e da pressão de vapor.

42 A figura 9.4 indica que a taxa de crescimento varia inversamente com a pressão e a taxa máxima de crescimento ocorre a ~ 15 o C.

43 Crescimento por Acreção A acreção é definida como o processo o qual as partículas grandes de precipitação capturam as partículas pequenas. Entretanto, o processo de acreção é reservado para a captura de gotículas de água super-resfriada por partículas precipitáveis de gelo. Se uma gota se congela imediatamente após o contato, cristais de gelo colados ou graupel são produzidos. (riming) Se o congelamento não é imediato, estruturas mais densas são criadas, tais como o granizo.

44 Já a Agregação é o apanhado de vários cristais de gelo e leva a formação dos flocos de neve. A velocidade terminal dos cristais de gelo também é um importante fator para o crescimento de gelo. Para estruturas de cristal: u [ cm / s ] 343 D 0.6 D o diâmetro esférico que circunscreve a partícula em cm.

45 Para flocos de neve: u [ cm / s ] kd n (D é o diâmetro derretido) (cm) k ~ 160 e n ~ 0.3 para gelo em formato de colunas e pratos temos k ~ 234 e n ~ 0.3

46 Por analogia com o processo de colisão-coalescência, temos que a equação de acreção pode ser descrita como: dm dt E W l R 2 u ( R ) onde m é a massa da partícula, E é a eficiência média de coleta, W l é o conteúdo de água liquida, R é o raio da partícula, e u(r) é a velocidade terminal.

47 Crescimento de Cristais de Gelo versus o de Coalescência

48 Resumo do crescimento das gotículas e cristais de gelo dentro de uma nuvem