Capitulo 6 - Formação e crescimento de Cristais de Gelo - storm-t
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<strong>Formação</strong> Forma ão e <strong>crescimento</strong> <strong>de</strong><br />
<strong>Cristais</strong> <strong>de</strong> <strong>Gelo</strong>
Se as nuvens exce<strong>de</strong>m altitu<strong>de</strong>s aon<strong>de</strong> as temperaturas são mais<br />
baixas que 0 o C, existe uma gran<strong>de</strong> probabilida<strong>de</strong> <strong>de</strong> se formar<br />
cristais <strong>de</strong> gelo.<br />
Existem duas transições <strong>de</strong> fase que po<strong>de</strong>m levar a formação <strong>de</strong><br />
gelo:<br />
- congelamento <strong>de</strong> gotículas liquidas; ou<br />
- <strong>de</strong>posição direta (sublimação) do vapor em uma fase sólida;<br />
Além disso, ambos os processos <strong>de</strong> nucleação são possíveis:<br />
nucleação homogênea e ou heterogênea.
Um cristal <strong>de</strong> gelo recém criado em uma nuvem com gotículas <strong>de</strong><br />
água está em um ambiente altamente favorável para um<br />
<strong>crescimento</strong> rápido por difusão. Isto se <strong>de</strong>ve ao fato <strong>de</strong> que o<br />
vapor <strong>de</strong>ntro da nuvem está basicamente saturado em relação à<br />
água liquida, porém está super-saturado em relação ao gelo.<br />
O processo <strong>de</strong> <strong>crescimento</strong> <strong>de</strong> gelo po<strong>de</strong> ser tratado como o<br />
mesmo feito para as gotículas <strong>de</strong> água, basicamente difusão<br />
seguida <strong>de</strong> coagulação.<br />
Para os cristais, entretanto, o <strong>crescimento</strong> por difusão é mais<br />
significativo do que para as gotículas <strong>de</strong> nuvem por causa da<br />
diferença entre a pressão <strong>de</strong> vapor da água e do gelo.
Nucleação da Fase <strong>de</strong> <strong>Gelo</strong><br />
O Congelamento homogêneo <strong>de</strong> gotas <strong>de</strong> água liquida pura<br />
ocorre somente quando flutuações estatísticas do re-arranjo<br />
molecular da água produzem estruturas estáveis <strong>de</strong> gelo, as<br />
quais po<strong>de</strong>m servir como núcleos <strong>de</strong> gelo.<br />
Sendo que este processo <strong>de</strong> nucleação é função do tamanho do<br />
núcleo estável e da probabilida<strong>de</strong> <strong>de</strong> ocorrência <strong>de</strong> um núcleo<br />
embriônico <strong>de</strong> gelo a partir do re-arranjamento aleatório das<br />
moléculas <strong>de</strong> água.
Por outro lado, estas quantida<strong>de</strong>s são <strong>de</strong>pen<strong>de</strong>ntes da energia<br />
livre superficial da interface entre o gelo e o liquido [é análogo à<br />
tensão superficial da interface entre o liquido e vapor], sendo que<br />
valores experimentais se aproximam <strong>de</strong> 2x10 -2 N/m (20 erg/cm2).<br />
Dados experimentais mostram que gotículas menores que 5 μm<br />
congelam-se espontaneamente a temperaturas <strong>de</strong> –40 o C.<br />
Para gotas maiores, elas se congelam a temperaturas mais<br />
quentes.<br />
Em nuvens, algumas gotículas líquidas são observadas a<br />
temperaturas inferiores a –40 o C (e estas são raríssimas), isto<br />
implica que ocorreu congelamento heterogêneo a temperaturas<br />
mais quentes que –40 o C.
Deposição homogênea ocorre quando moléculas <strong>de</strong> vapor<br />
formam embriões <strong>de</strong> gelo estável a partir <strong>de</strong> colisões. Apesar <strong>de</strong><br />
não sabermos exatamente a energia livre superficial da interface<br />
entre o gelo/vapor, cálculos teóricos prevêem que a <strong>de</strong>posição<br />
por nucleação homogênea <strong>de</strong>ve ocorrer em condições extremas<br />
<strong>de</strong> super-saturação [~ 20 X maior que a super-saturação com<br />
respeito ao gelo para temperaturas ~ 0 o C, e valores mais alto<br />
ainda para temperaturas mais baixas].<br />
Portanto po<strong>de</strong>mos eliminar a idéia id ia <strong>de</strong> <strong>de</strong>posição <strong>de</strong>posi ão homogênea e<br />
afirmar que as gotículas got culas <strong>de</strong> água gua se congelarão primeiro, e<br />
infelizmente não teríamos ter amos condição condi ão <strong>de</strong> i<strong>de</strong>ntificar qual a formação forma ão<br />
original do cristal <strong>de</strong> gelo.<br />
Usualmente, um número apreciável <strong>de</strong> cristais <strong>de</strong> gelo aparece<br />
em nuvens quando estas atingem T < –15 o C, significando assim<br />
a presença <strong>de</strong> nucleação heterogênea.
A água em contacto com a maioria dos materiais se congela à<br />
temperaturas maiores que –40 o C e <strong>de</strong>posição po<strong>de</strong> ocorrer na<br />
maioria das superfícies com super-saturação e superresfriamento<br />
menor que os valores <strong>de</strong> nucleação homogênea.<br />
Portanto, po<strong>de</strong>-se concluir que a nucleação do gelo e água superresfriada<br />
em ambientes super-saturados estão resignados à<br />
presença <strong>de</strong> superfícies estranhas ou partículas suspensas.<br />
Sendo que o material estranho provi<strong>de</strong>ncia uma superfície na<br />
qual as moléculas <strong>de</strong> água se aglutinam, colam ou se juntam, e<br />
formam agregados <strong>de</strong> estrutura <strong>de</strong> gelo. Quanto maior o<br />
agregado, mais estável ele será e maior a probabilida<strong>de</strong> <strong>de</strong> sua<br />
existência.
A probabilida<strong>de</strong> <strong>de</strong> congelamento ou <strong>de</strong>posição a partir da<br />
nucleação heterogênea <strong>de</strong>pen<strong>de</strong> fortemente das proprieda<strong>de</strong>s da<br />
superfície do material, tais como o super-resfriamento e a supersaturação.<br />
Quanto maior for a força entre as moléculas <strong>de</strong> água, comparado<br />
com a superfície, maior a probabilida<strong>de</strong> da superfície se parecer<br />
com um cristal <strong>de</strong> gelo plano, o que aumenta as chances da<br />
nucleação do gelo.<br />
Quando a interface (junta) e o casamento (agregação) dos<br />
cristais lattice é boa, a super-saturação e o super-resfriamento<br />
requerido para nucleação do gelo sobre a superfície será muito<br />
menor que da nucleação <strong>de</strong> gelo homogênea.
Nuvens super-resfriadas se <strong>de</strong>senvolvem a partir <strong>de</strong> uma gran<strong>de</strong><br />
gama (distribuição <strong>de</strong> tamanhos) <strong>de</strong> aerossóis, sendo que uma<br />
pequena parte dos aerossóis serve como núcleos <strong>de</strong> gelo a<br />
temperaturas mais quentes que – 40 o C, que é o limite para a<br />
nucleação homogênea.<br />
Existem vários mecanismos <strong>de</strong> nucleação, Figura 9.1;<br />
a1) <strong>Gelo</strong> po<strong>de</strong> ser formar diretamente a partir da fase <strong>de</strong> vapor<br />
em um núcleo <strong>de</strong> <strong>de</strong>posição;
Além <strong>de</strong>ste processo, existem outros três modos <strong>de</strong> ativação<br />
que são reconhecidos para o congelamento dos núcleos.<br />
a) Alguns servem primeiro como centros <strong>de</strong> con<strong>de</strong>nsação, e<br />
então como núcleos <strong>de</strong> congelamento;<br />
b) Alguns promovem congelamento no instante do contacto<br />
com a gota super-resfriada;<br />
c) Outros causam congelamento após serem embebidos pela<br />
gotícula. Uma partícula qualquer po<strong>de</strong> nuclear gelo <strong>de</strong><br />
diferentes maneiras, <strong>de</strong>pen<strong>de</strong>ndo das condições do<br />
ambiente e do estágio da nuvem.
Núcleos cleos <strong>de</strong> <strong>Gelo</strong>
<strong>Cristais</strong> <strong>de</strong> gelo que se formarão a partir da nucleação<br />
com Io<strong>de</strong>to <strong>de</strong> Prata<br />
[http://www.phy.nau.edu/~layton/ice/ice.htm]
Classificação dos<br />
<strong>Cristais</strong> <strong>de</strong> <strong>Gelo</strong>:<br />
B. Mason, in The<br />
Physics of<br />
Clouds (Oxford<br />
University Press,<br />
1971)
Coluna<br />
Dendrite<br />
Agulha<br />
Dendrite – Prato Simples<br />
Dendrite Estrelar<br />
Rime<br />
Graupel<br />
Granizo
Habitat dos <strong>Cristais</strong> <strong>de</strong> <strong>Gelo</strong>
Prismas simples<br />
Pratos estelares
Pratos setorias<br />
Dendrites estelares<br />
Dendrites estelares tipo samambaia
Colunas ocas<br />
agulhas
Coluna com chapeu ou limitada<br />
Pratos duplos
Pratos separados ou estrelas<br />
Cristal triangular<br />
Floco <strong>de</strong> neve com 12 lados
Balas <strong>de</strong> roseta<br />
Dendrites espalhadores<br />
Cristal que se congela – rime/graupel
Cristal irregular<br />
Neve artificial
Fase <strong>de</strong> <strong>Gelo</strong> nas Nuvens<br />
A ocorrência <strong>de</strong> cristais <strong>de</strong> gelo em nuvens está relacionado com<br />
o tipo <strong>de</strong> nuven (cirrus, Cb, Nimbus Stratus, e etc), temperatura e<br />
o tempo <strong>de</strong> vida da nuvem (estágio do ciclo <strong>de</strong> vida).<br />
Em geral, nuvens com topos que exce<strong>de</strong>m temperaturas<br />
inferiores a –20 o C tem gelo. <strong>Gelo</strong> é mais comum em nuvens tipo<br />
cumulus em <strong>de</strong>caimento do que em nuvens em <strong>de</strong>senvolvimento.<br />
Concentrações <strong>de</strong> cristais <strong>de</strong> gelo em nuvens po<strong>de</strong>m variar <strong>de</strong>s<strong>de</strong><br />
limites muito baixos como 0,01 a 100 por litro. (1e-5 a 0,1 cm -3 )
Os primeiros cristais <strong>de</strong> gelo que aparecem em nuvens <strong>de</strong>vem<br />
ser formados a partir <strong>de</strong> núcleos <strong>de</strong> gelo [exceto nuvens tipo<br />
cirrus, aon<strong>de</strong> temperaturas baixas provocam o congelamento da<br />
água instantaneamente]. Os cristais adicionais <strong>de</strong>vem ser<br />
produzidos por processos secundários aon<strong>de</strong> os cristais primários<br />
são multiplicados.<br />
Dois mecanismos são reconhecidos como produção secundária<br />
<strong>de</strong> gelo:<br />
- Fratura dos cristais <strong>de</strong> gelo;<br />
- Chuvisco ou quebra das gotas congeladas;<br />
Uma outra hipótese para este mecanismo <strong>de</strong> multiplicação é que<br />
em condições a<strong>de</strong>quadas, gotas super-resfriadas <strong>de</strong> tamanho<br />
apropriado à certas temperaturas são capturadas por particulas<br />
chamadas <strong>de</strong> graupel.
Crescimento dos <strong>Cristais</strong> <strong>de</strong> <strong>Gelo</strong> por Difusão<br />
Quando os primeiros cristais <strong>de</strong> gelo nucleiam na nuvem, eles se<br />
encontram em um ambiente aon<strong>de</strong> a pressão <strong>de</strong> vapor é igual ou<br />
maior que a pressão <strong>de</strong> equilíbrio do vapor (es) sobre a água<br />
liquida. A razão <strong>de</strong> saturação relativa com o gelo po<strong>de</strong> ser<br />
expressa como:<br />
S<br />
i<br />
=<br />
e<br />
e<br />
∞<br />
si∞<br />
=<br />
e<br />
e<br />
on<strong>de</strong> S significa a razão <strong>de</strong> saturação com relação a água.<br />
i<br />
=<br />
e<br />
e<br />
s<br />
e<br />
e<br />
s<br />
i<br />
=<br />
⎛ e<br />
S<br />
⎜<br />
⎝ e<br />
s<br />
i<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠
A razão <strong>de</strong> super-saturação, (es/ei)-1, ilustra que uma nuvem <strong>de</strong><br />
água está altamente super-saturada em relação ao gelo, e está<br />
em condições favoráveis para um rápido <strong>crescimento</strong> via difusão<br />
ou <strong>de</strong>posição. O ambiente será favorável <strong>de</strong>s<strong>de</strong> que existam<br />
gotículas <strong>de</strong> água para evaporar e manter a pressão <strong>de</strong> vapor em<br />
equilíbrio com a água. Se por alguma razão as gotículas <strong>de</strong> água<br />
<strong>de</strong>saparecerem (evaporarem ou congelarem), a razão <strong>de</strong><br />
saturação irá <strong>de</strong>crescer a um equilíbrio em relação ao gelo.
A complicação para <strong>de</strong>finir uma equação para o <strong>crescimento</strong> dos<br />
cristais do gelo por difusão é a forma não esférica dos cristais.<br />
Entretanto, uma analogia tem sido utilizada. Para isso, utiliza-se a<br />
equação <strong>de</strong> Poisson da Eletrostática e o teorema <strong>de</strong> Green. Esta<br />
interpretação po<strong>de</strong> ser feita como sendo: “o fluxo <strong>de</strong> moléculas <strong>de</strong><br />
água com um potencial induz uma corrente total <strong>de</strong> água para o<br />
gelo”.<br />
dm<br />
dt<br />
A partir <strong>de</strong>sta analogia temos que:<br />
= CD v∞<br />
( ρ ρ )<br />
4 π −<br />
= 4πCK<br />
( T − T )<br />
vc<br />
dm<br />
dt<br />
LS c<br />
Equação <strong>de</strong> difusão Equação <strong>de</strong> condução;<br />
C – Capacitância ou fator <strong>de</strong> forma; D – Difusida<strong>de</strong>;<br />
K – Condutivida<strong>de</strong> térmica do ar; Tc – temperatura do cristal;<br />
ρ vc – <strong>de</strong>nsida<strong>de</strong> do vapor d’agua sobre o cristal<br />
∞
Além disso, temos que a equação <strong>de</strong> Claussius Clapeyron para o<br />
gelo é:<br />
e<br />
Assumindo que a diferença {T∞-Tc} é bem pequena, po<strong>de</strong>mos<br />
linearizar a equação <strong>de</strong> C.C acima, e expressar a equação <strong>de</strong><br />
<strong>crescimento</strong> como:<br />
si<br />
( T )<br />
=<br />
dm<br />
dt<br />
e<br />
si<br />
=<br />
( T<br />
⎡<br />
⎢<br />
⎣<br />
∞<br />
⎧ L<br />
) exp⎨<br />
⎩R<br />
⎡ 1<br />
⎢<br />
⎣T<br />
Como no caso das gotículas <strong>de</strong> água, o <strong>crescimento</strong> <strong>de</strong>pen<strong>de</strong> da<br />
temperatura e da pressão. A figura 9.4 indica que a taxa <strong>de</strong><br />
<strong>crescimento</strong> varia inversamente com a pressão e a taxa máxima<br />
<strong>de</strong> <strong>crescimento</strong> ocorre a ~ –15 o C.<br />
S<br />
V<br />
−1<br />
∞<br />
−<br />
1<br />
T<br />
c<br />
⎤⎫<br />
⎥⎬<br />
⎦⎭<br />
2<br />
RVT<br />
∞ LS<br />
+ 2<br />
4πCDe<br />
R T 4πCK<br />
si∞<br />
S<br />
i<br />
V<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎦
Congelamento das Goticulas<br />
P – probabilida<strong>de</strong> <strong>de</strong> congelar<br />
Ts temperatura abaixo <strong>de</strong> 0 o C<br />
t segundos <strong>de</strong> exposicao<br />
V volume da gota em cm 3<br />
a = 0,82 e K = 2,9 x 10 -8<br />
QJRMS,<br />
1953, 79,<br />
510-519
Fração das gotículas que congelaram em função da temperatura e<br />
tempo <strong>de</strong> congelamento (0,1 e 1 segundo). Neste experimento uma<br />
distribuição <strong>de</strong> goticulas <strong>de</strong> 5,10 e 20 μm foram testadas (colunas).
• Utilizando a expressão <strong>de</strong> Bigg (1953) a taxa <strong>de</strong><br />
congelamento po<strong>de</strong> ser expressa como:<br />
On<strong>de</strong> fw é a distribuição <strong>de</strong> tamanho <strong>de</strong> gotas <strong>de</strong><br />
agua, m a massa da gota, a fr = 10 -4 s -1 g -1<br />
b fr = 0,66 o C -1 (Wisner et al., 1972).<br />
Wisner, C. Orvile, H.D., Meyers, C., 1972, A numerical<br />
mo<strong>de</strong>lo of hail bearing cloud. JAS, 29, 1160, 1181.
• E o tempo necessário para congelar meta<strong>de</strong><br />
da gota com massa m:
Crescimento por Acreção<br />
A acreção é <strong>de</strong>finida como o processo o qual as partículas<br />
gran<strong>de</strong>s <strong>de</strong> precipitação pegam ou capturam as partículas<br />
pequenas.<br />
Entretanto, o processo <strong>de</strong> acreção é reservado para a captura <strong>de</strong><br />
gotículas <strong>de</strong> agua super-resfriadas por partículas precipitáveis <strong>de</strong><br />
gelo.<br />
Se uma gota se congela imediatamente após o contato, cristais<br />
<strong>de</strong> gelo colados ou graupel são produzidos.<br />
Se o congelamento não é imediato, estruturas mais <strong>de</strong>nsas são<br />
criadas, tais como o granizo.
Agregação é o apanhado <strong>de</strong> vários cristais <strong>de</strong> gelo, e este<br />
processo forma os flocos <strong>de</strong> neve.<br />
A velocida<strong>de</strong> terminal dos cristais <strong>de</strong> gelo também é um<br />
importante fator para o <strong>crescimento</strong> <strong>de</strong> gelo.<br />
Para estruturas <strong>de</strong> cristal:<br />
u =<br />
343D<br />
0.<br />
6<br />
(cm/s) e D (cm) o diâmetro esférico que circunscreve a<br />
partícula;
Para flocos <strong>de</strong> neve:<br />
(cm/s) (D é o diâmetro <strong>de</strong>rretido) (cm)<br />
k ~ 160 e n ~ 0.3<br />
para gelo em formato <strong>de</strong> colunas e pratos temos<br />
k ~ 234 e n ~ 0.3<br />
u =<br />
kD<br />
n
Por analogia temos que a equação <strong>de</strong> acreção é <strong>de</strong>scrita<br />
como:<br />
dm<br />
dt<br />
=<br />
EW<br />
lπ<br />
R<br />
2<br />
u(<br />
R)<br />
on<strong>de</strong> “m” é a massa da partícula, E é a eficiência média <strong>de</strong><br />
coleta, W é o conteúdo <strong>de</strong> água liquida, R é o raio da<br />
partícula, e u(R) é a velocida<strong>de</strong> terminal.
Crescimento <strong>de</strong> <strong>Cristais</strong> <strong>de</strong> <strong>Gelo</strong> versus o <strong>de</strong> Coalescência