Como é formada uma nuvem?
Como é formada uma nuvem?
- Imaginem uma parcela de ar na atmosfera
- Como fazer ela subir?
i) força mecânica:
montanhas, frentes frias
ii) convecção:
aquecimento da superfície
ou
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Formação, crescimento e precipitação de gotas e cristais de gelo em parcelas de ar, Slides de Crescimento
Como as gotas e cristais de gelo se formam, crescem e precipitam em parcelas de ar. A formação de gotas de água é explicada através da nucleação homogênea e heterogênea, e a taxa de nucleação é expressa em termos de massa da molécula de água, constante de boltzmann, número de densidade de moléculas de vapor, fator de zeldovich e razão de saturação. O crescimento das gotas é explicado através da colisão e coalescência, e a velocidade terminal das gotículas é descrita usando a lei de stokes. O congelamento de gotículas e a formação de cristais de gelo são explicados através da sublimação e deposição heterogênea em núcleos de condensação de gelo.
Tipologia: Slides
2022
1 / 49
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Como é formada uma nuvem?
Como é formada uma nuvem?
- Imaginem uma parcela de ar na atmosfera
- Como fazer ela subir?
i) força mecânica:
montanhas, frentes frias
ii) convecção:
aquecimento da superfície
ou
Como descrever uma parcela?
1) Parcela de ar que não interage com o ambiente:
não há troca de massa
não há troca de calor
2) Levantamento adiabático seco:
enquanto a parcela não está saturada
parcela esfria ~ 10
o
C/km
4) Estabilidade atmosférica:
estabilidade absoluta
instabilidade absoluta
instabilidade condicional
Estabilidade absoluta Instabilidade absoluta
Estabilidade condicional
Como são formadas as gotas dentro
Como são formadas as gotas dentro
dessas parcelas de ar?
dessas parcelas de ar?
As moléculas de água estão constantemente saindo e voltando à
superfície de água líquida:
Evaporação: mais moléculas deixa a superfície água do que aderem
Condensação: mais moléculas aderem a superfície água do que deixam
Pressão de vapor ( e ): pressão exercida pelo vapor d'água contra a
superfície de água líquida
Evaporação X Condensação
A taxa em que as moléculas de água chegam à superfíce de água líquida
depende de:
1) Pressão de vapor de saturação ( e
s
)
É a pressão de vapor na qual o vapor d'água está em equilíbrio ( condensação =
evaporação ) num interface plana de água pura, numa dada temperatura.
4) Pureza da interface (quantidade de soluto)
- Partículas higroscópicas
- Sal atrae água com umidade ~ 75%
- Gotícula com sal:
sal adiciona massa
ocupa espaços de moléculas de água que estariam expostas
promove condensação em baixas umidades
A gota embriônica estará estável se o tamanho exceder um valor crítico.
Na média, as gotas maiores que um tamanho crítico crescerão, equanto
que as menores irão diminuir.
- O que determina o tamanho crítico é o balanço entre as taxas opostas de
crescimento (condensação) e decaimento (evaporação).
- Estas taxas, dependem se a gota se forma em um espaço livre
( nucleação homogênea
nucleação homogênea ) ou em contacto com outro corpo ( nucleação
nucleação
heterogênea
heterogênea ).
Nucleação de água líquida a partir de vapor d'água
Qual é a chance real de colisões e agregações de moléculas de
Qual é a chance real de colisões e agregações de moléculas de
água levar a formação de gotas embriônicas que estejam estáveis
água levar a formação de gotas embriônicas que estejam estáveis
e continuem a existir sob uma dada condição ambiente?
e continuem a existir sob uma dada condição ambiente?
e : pressão de vapor ambiente
(Taxa de crescimento) α e – e
s
(r)
e – e
e – e
s
s
(r)
(r) < 0
< 0
evaporação (gota diminue)
evaporação (gota diminue)
e – e
e – e
ss
(r)
(r)
0
0
condensação (gota cresce)
condensação (gota cresce)
Assim quando e – e
s
(r) = 0, a gota estará em equilíbrio e o raio
crítico r
c
será:
- S = e/ e
s
(∞): razão de saturação
r < r
r < r
c
c
evaporação (gota diminue)
evaporação (gota diminue)
r > r
r > r
cc
condensação (gota cresce)
condensação (gota cresce)
r
c
R
v
L
T ln S
Nucleação homogênea:
Nucleação homogênea:
Gotas de tamanho crítico são formadas por colisões aleatórias das
moléculas de água.
J = 4 πr
c
2
e
2 π mkT
Z
n
exp
4 πr
c
2
3 kT
A partir da termodinâmica estatística a taxa de nucleação por unidade de
volume pode ser expresso aproximadamente por:
- m : massa da molécula de água
- k : constante de Boltzmann
- n : número de densidade de moléculas de vapor
Z : fator de Zeldovich ou de não equilíbrio, e é da ~ de 10
em unidade de
CGS.
Logo, o que é necessário para diminuir a
Logo, o que é necessário para diminuir a S
S
c
c
( ou e
( ou e
s
s
(r
(r
c
c
) ) e
) ) e
formar então uma gota????
formar então uma gota????
Adição de soluto!!!!! - Nucleação heterogênea
Nucleação heterogênea
Partículas higroscópias: CCN – Cloud Condensation Nuclei
Com
Com o resultado
o resultado ,
, a gota d
a gota d a
a solução pode estar em equilíbrio
solução pode estar em equilíbrio
com
com o
o
ambiente a uma super-saturação bem menor que a da
ambiente a uma super-saturação bem menor que a da
gota de água pura de um mesmo tamanho.
gota de água pura de um mesmo tamanho.
Como as gotas crescem dentro dessas
Como as gotas crescem dentro dessas
parcelas de ar?
parcelas de ar?
Deve haver colisão + coalescência!!!
Colisões podem ocorrer a partir de diferentes respostas das gotículas com
as forças: gravitacional, elétrica e aerodinâmica.
O efeito gravitacional predomina nas nuvens: gotas grandes caem mais
rápido que as pequenas, logo passando e capturando uma fração das
gotículas que ficam ao longo do seu caminho.
O efeito elétrico e turbulento necessário para produzir um número
comparável de colisões, é muito maior que usualmente existe na natureza,
apesar de que campos elétricos intensos em tempestades possam criar
efeitos locais significativos
d) Velocidade terminal das gotículas:
F
D
= 6 πη rV , r 50 μm
F
G
= 4 πr
3
l
ar
g ≃ 4 πr
3
l
g
- η é a viscosidade
- ρ
l
e ρ
ar
são as densidades do líquido e do ar
- r é o raio da gota
- V é a velocidade.
Quando F
D
=F
G
temos que V V
T
(Velocidade terminal da gota)
Logo temos que V
T
pode ser expresso como:
R ( μ m) V
T
(cm/s)
1 0,
10 1,
30 10,
50 30,
V
T
=
2
9
r
ρ
l
η
g