Microfísica das Nuvens_3horas - storm-t
Microfísica das Nuvens_3horas - storm-t
Microfísica das Nuvens_3horas - storm-t
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
<strong>Microfísica</strong> Microf sica <strong>das</strong> <strong>Nuvens</strong>
O que podemos encontrar dentro de uma nuvem?
Como as nuvens se formam?<br />
• Uma parcela de ar tem que atingir<br />
100% de UR.<br />
• O Vapor tem que condensar ou<br />
sublimar.<br />
• E finalmente os hidrometeoros tem<br />
que crescer.
Levantando a parcela de ar
Como descrever o levantamento de uma parcela ar?<br />
PARCELA AINDA NÃO ESTA SATURADA (UR < 100%)<br />
1) Parcela de ar que não interage com o ambiente:<br />
não há troca de massa<br />
não há troca de calor<br />
2) Durante o processo de levantamento:<br />
a parcela sofre expansão adiabática (seco):<br />
1º lei da termodinâmica temos que du = dq – dw<br />
Porém como dq = 0<br />
du = -dw
c p dT = αdp= (RT/p)dp<br />
dT = {RT/c p p}dp<br />
diferenciando em relação a altura (z), temos<br />
dT/dz = {RT/c p p}dp/dz<br />
Utilizando a eq. Hidrostática (dp/dz = -ρg) e assumindo que a<br />
densidade do ambiente e da parcela são aproximadamente iguais<br />
e pressão da parcela se ajusta ao do ambiente temos:<br />
dT/dz = {RT/c p p}(-ρg), mas ρ = p/RT<br />
dT/dz = -g/c p<br />
ou<br />
Γ d = dT/dz = -g/c p = -9,8ºC/km
PARCELA ATINGE A SATURAÇÃO, OU SEJA, A UR = 100%<br />
Isto implica em dq ≠ 0 uma vez que ocorre liberação de<br />
calor latente devido a condensação (T ≥ 0 o C) ou<br />
sublimação (T ≤ 0 o C) do vapor d´água.<br />
Portanto podemos re-escrever a 1º lei da<br />
Termodinâmica para um processo pseudo-adiabático:<br />
Neste caso, o calor pode ser definido como: dq = -Ldw s<br />
onde L é o calor latente liberado e dw s a conteúdo de<br />
vapor d´água condensado e ou sublimado.
dq = -Ldws = du + dw = cpdT - αdp<br />
dT/T = kdp/p – {L/Tc p }dw s<br />
diferenciando em relação a altura (z), temos<br />
dT/dz = {kT/p}dp/dz – {L/c p }dw s /dz<br />
utilizando a equação hidrostática e a de Clausius<br />
Clapeyron, temos:<br />
Γ s = - dT/dz = Γ[ 1 + Lw s /R´T]/[1 + L 2 εw s /R´c p T 2 ] =<br />
Γ s ~ 6 ºC<br />
portanto, em um processo pseudo-adiab<br />
pseudo adiabático tico a<br />
variação varia ão da temperatura é menor que em um<br />
processo adiabático adiab tico seco.
LCL=NCL = Nível de Condensação por<br />
Levantamento<br />
LFC=NCF = Nível de convecção livre<br />
CAPE = Energia Potencial Convectiva<br />
Disponível<br />
CINE= Energia Convectiva de Inibição
Movimentos verticais: Convecção<br />
• Convecção está associada a movimentos<br />
verticais de elementos de ar.<br />
• Esses movimentos podem ser provenientes <strong>das</strong><br />
forças de empuxo e mecânica que são uma<br />
maneira eficiente de transportar calor, massa e<br />
momento verticalmente.<br />
• Convecção através da força de empuxo está<br />
associada à formação de nuvens cumulus<br />
(convectivas) e representa a conversão de<br />
energia térmica em cinética.
Teoria de Parcela<br />
• Para estimar a velocidade vertical utilizamos a<br />
teoria da parcela e a força de empuxo<br />
2<br />
dz T −<br />
=<br />
g (<br />
2<br />
dt T<br />
onde T e T’ são as temperaturas da parcela e do<br />
ambiente, respectivamente.<br />
Adicionalmente, consideremos que a parcela não<br />
interage com o ambiente (as suas propriedades<br />
permanecem uniformes), e que a pressão se<br />
ajusta instantaneamente com a pressão do<br />
ambiente<br />
'<br />
T<br />
'<br />
)
∫<br />
∫<br />
∫<br />
∫<br />
∫<br />
∫<br />
∫<br />
∫<br />
∫<br />
∫<br />
∫<br />
−<br />
−<br />
=<br />
−<br />
−<br />
=<br />
−<br />
−<br />
−<br />
=<br />
⇒<br />
⎥<br />
⎦<br />
⎤<br />
⎢<br />
⎣<br />
⎡ −<br />
−<br />
=<br />
⎥<br />
⎦<br />
⎤<br />
⎢<br />
⎣<br />
⎡ −<br />
⎥<br />
⎦<br />
⎤<br />
⎢<br />
⎣<br />
⎡ −<br />
⇒<br />
−<br />
=<br />
⎥<br />
⎦<br />
⎤<br />
⎢<br />
⎣<br />
⎡ −<br />
=<br />
⎯<br />
⎯ →<br />
⎯<br />
⎥<br />
⎦<br />
⎤<br />
⎢<br />
⎣<br />
⎡ −<br />
=<br />
=<br />
=<br />
=<br />
=<br />
⎯ →<br />
⎯<br />
=<br />
−<br />
=<br />
⎥<br />
⎦<br />
⎤<br />
⎢<br />
⎣<br />
⎡ −<br />
=<br />
=<br />
×<br />
z<br />
z<br />
o<br />
z<br />
z<br />
o<br />
z<br />
z<br />
u<br />
u<br />
z<br />
z<br />
z<br />
z<br />
z<br />
z<br />
RT<br />
p<br />
z<br />
z<br />
z<br />
z<br />
z<br />
z<br />
u<br />
u<br />
u<br />
o<br />
o<br />
o<br />
o<br />
o<br />
o<br />
o<br />
o<br />
o<br />
o<br />
o<br />
p<br />
d<br />
T<br />
T<br />
R<br />
u<br />
u<br />
p<br />
d<br />
T<br />
T<br />
R<br />
u<br />
u<br />
p<br />
d<br />
T<br />
T<br />
R<br />
udu<br />
dp<br />
p<br />
T<br />
T<br />
R<br />
g<br />
dp<br />
R<br />
p<br />
T<br />
T<br />
g<br />
g<br />
dz<br />
dp<br />
mas<br />
dz<br />
R<br />
p<br />
T<br />
T<br />
g<br />
dz<br />
T<br />
T<br />
T<br />
g<br />
dz<br />
z<br />
B<br />
g<br />
dz<br />
z<br />
B<br />
g<br />
udu<br />
gBdz<br />
dt<br />
dt<br />
dz<br />
gB<br />
gBudt<br />
udu<br />
gBdt<br />
du<br />
vertical<br />
velocidade<br />
dt<br />
dz<br />
u<br />
T<br />
T<br />
T<br />
B<br />
)<br />
ln(<br />
)<br />
'<br />
(<br />
'<br />
2<br />
)<br />
ln(<br />
)<br />
'<br />
(<br />
'<br />
2<br />
)<br />
ln(<br />
)<br />
'<br />
(<br />
'<br />
'<br />
'<br />
'<br />
'<br />
'<br />
'<br />
'<br />
'<br />
,<br />
'<br />
'<br />
'<br />
'<br />
'<br />
'<br />
)<br />
(<br />
)<br />
(<br />
,<br />
'<br />
'<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
ρ<br />
ρ<br />
ρ<br />
ρ<br />
ρ<br />
T = parcela<br />
T´= ambiente
Limitações da Teoria da Parcela<br />
A velocidade vertical estimada por esta teoria é<br />
muito mais alta que as velocidades<br />
observa<strong>das</strong>, pois alguns efeitos não são<br />
levados em consideração.<br />
• Peso da água liquida condensada<br />
• Compensação de movimentos descendentes<br />
do ar vizinho<br />
• Mistura com o ar ambiente<br />
• Fricção aerodinâmica
Saturação: Mudança de Fase<br />
• Equação de Clausius-Clapeyron<br />
Evaporação X Condensação<br />
As moléculas de água estão constantemente saindo e voltando à<br />
superfície de água líquida:<br />
Evaporação: mais moléculas deixam a superfície água do que aderem<br />
Condensação: mais moléculas aderem a superfície água do que deixam<br />
Pressão de vapor (e): pressão exercida pelo vapor d'água contra a<br />
superfície de água líquida
• Quando o equilíbrio é alcançado, as taxas<br />
de condensação e evaporação são iguais<br />
e a temperatura do ar e do vapor se<br />
igualam a do liquido.<br />
• Portanto não há transferência liquida de<br />
uma fase para a outra.<br />
• Logo o ar acima do liquido é dito saturado<br />
em relação ao vapor d’água.
Para converter uma unidade de massa de água liquida<br />
para o vapor a uma T e P constante, “energia de calor” é<br />
necessária para mudar de fase, ou seja, calor latente.<br />
Da 1º Lei da Termodinâmica, temos:<br />
∫<br />
u2<br />
∫<br />
u1<br />
α1<br />
Lv = dq'=<br />
du + esdα<br />
onde 1-líquido, 2-vapor e 3-sólido.<br />
Considerando uma mudança de fase isotérmica e isobária, temos<br />
L<br />
v<br />
∫<br />
α1<br />
= ( u2<br />
− u1)<br />
+ e ( α 2 − α1)<br />
s
Combinando a mudança de fase a um processo reversível<br />
L<br />
v<br />
dφ<br />
=<br />
d'<br />
q<br />
T<br />
φ 2<br />
∫<br />
φ1<br />
Φ = entropia<br />
Td φ = ∫ d'<br />
q =<br />
= T ( φ2 −φ1)<br />
= ( u2<br />
− u1)<br />
+ e ( α 2 −α<br />
s 1)<br />
Re-arranjando os termos por fases de estado<br />
Lv<br />
1+ e α1− Tφ1<br />
= u2<br />
+ e α 2 −Tφ<br />
2<br />
u s<br />
s<br />
1 α Tφ<br />
Energia livre de Gibbs: g = u + es<br />
1−<br />
1 g1 = g2
Considerando uma mudança de fase :<br />
não- isotérmica e não-isobárica.<br />
dg = du + esdα<br />
+ αdes<br />
−Tdφ<br />
−φdT<br />
considerando a 1 o e 2 o lei da termodinâmica:<br />
'q = du + e dα<br />
d 'q<br />
= Tdφ<br />
d s<br />
dg = αde −φdT<br />
s<br />
Supondo a evaporação de uma unidade de massa de água<br />
liquida em um processo reversível, onde g1=g2 temos que:<br />
g1 g1+dg1 e g2 g2+dg2.<br />
Mas como g1+dg1= g2+dg2 dg1= dg2
α de − 1dT<br />
= 2de<br />
−<br />
s<br />
s<br />
1 φ α φ<br />
de s<br />
dT<br />
Lembrando da 2º Lei que:<br />
=<br />
(<br />
(<br />
φ<br />
α<br />
2<br />
2<br />
−<br />
−<br />
φ<br />
α<br />
1)<br />
1)<br />
( φ2<br />
− φ1)<br />
de L<br />
s = v<br />
dT T<br />
( α2 −α<br />
=<br />
1)<br />
L v<br />
T<br />
Equação de Clausius-Clapeyron<br />
2dT
des v<br />
dT<br />
L<br />
=<br />
T(<br />
α2 −α1)<br />
desi Ls<br />
=<br />
dT T(<br />
α2 −α3)<br />
desf f<br />
dT<br />
L<br />
=<br />
T(<br />
α1−α 3)<br />
>0<br />
>0<br />
< 0<br />
Integrando a equação temos vapor/liquido:<br />
e<br />
s<br />
=<br />
e<br />
so<br />
⎧ L<br />
exp⎨<br />
⎩R<br />
v<br />
v<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
1<br />
To<br />
−<br />
1<br />
T<br />
⎞⎫<br />
⎟⎬<br />
⎠⎭
Mistura de Massas de Ar<br />
• Pode ser Mistura Isobária ou Adiabática<br />
• Parcelas de ar não satura<strong>das</strong> podem<br />
atingir a saturação após a mistura. Para<br />
que isso ocorra, a pressão de vapor final<br />
da mistura tem que ser maior que a<br />
pressão de vapor de saturação.
Processo Isobário:<br />
T<br />
q<br />
=<br />
=<br />
m 1<br />
m 1 + m<br />
m 1<br />
m 1 + m<br />
2<br />
2<br />
T<br />
1<br />
+<br />
q1<br />
+<br />
m 2<br />
m 1 + m<br />
m 2<br />
m 1 + m<br />
2<br />
2<br />
T<br />
2<br />
q 2<br />
M1,T1,q1, P<br />
M2,T2,q2, P<br />
O mesmo procedimento<br />
vale para a pressão de<br />
vapor (e), ou seja, a média<br />
ponderada pelas massas.<br />
Eq. C.C<br />
e s (T)
dq<br />
dq<br />
c<br />
c<br />
Se e > es (T) Condensação irá ocorrer até que a e = es(T´),<br />
, ou seja, uma nuvem se formará. Este<br />
processo pode ser descrito pela equação<br />
abaixo.<br />
p<br />
p<br />
de<br />
dT<br />
=<br />
=<br />
dT<br />
dT<br />
=<br />
−LdW<br />
c<br />
p<br />
=<br />
=<br />
−<br />
dT<br />
pc<br />
Lε<br />
d(<br />
e)<br />
p<br />
Lε<br />
−αdp<br />
−LdW<br />
−<br />
p<br />
=<br />
p cte<br />
= = ( )<br />
c<br />
p<br />
dT<br />
e<br />
−Ld(<br />
ε ),<br />
p<br />
=><br />
p<br />
=<br />
const.
Formação Forma ão <strong>das</strong> gotículas got culas de água gua<br />
Durante a formação de gotículas pequenas temos que a<br />
barreira de energia livre é alta e a fase de transição não ocorre<br />
geralmente no equilibrio de saturação da água.<br />
Basicamente se uma amostra de ar úmido for resfriado<br />
adiabaticamente até o ponto de equilíbrio de saturação da água,<br />
não deve-se esperar a formação de gotas.<br />
Na verdade, o vapor de água gua puro começa come a a condensar<br />
somente quando a umidade relativa alcançar alcan ar algumas<br />
centenas (>>100%) (>> 100%) !!!!!
O problema clássico em física de nuvens consiste em<br />
explicar porque as gotas de nuvem se formam na atmosfera<br />
quando o ar ascendido atinge o equilíbrio de saturação (NCC e<br />
NCL).<br />
Basicamente a presença de partículas (aerossóis) de<br />
tamanho de mícron e sub-mícron, as quais tem afinidade com a<br />
água servem como centros de condensação. Estas partículas são<br />
chama<strong>das</strong> de núcleos de condensação (CCN).<br />
O processo no qual as gotas de água se formam em<br />
núcleos a partir da fase vapor é conhecido como nucleação nuclea ão<br />
heterogênea. heterogênea A formação de gotas a partir do vapor em um<br />
ambiente puro (sem aerossóis), o qual requer uma supersaturação<br />
e não é muito importante na atmosfera, é conhecido<br />
como nucleação nuclea ão homogênea.<br />
homogênea
Diferentes tipos de núcleos de condensação estão<br />
presentes na atmosfera. Alguns tornam-se molhados a umidade<br />
relativa inferior a 100% e são associados aos nevoeiros.<br />
A medida que o ar úmido é esfriado em um levantamento<br />
adiabático, a umidade relativa se aproxima dos 100% e os CCNs<br />
começam a ser ativados.<br />
Se o levantamento do ar úmido continuar, a supersaturação<br />
será produzida pelo esfriamento e será usada pela<br />
condensação no núcleo de condensação.<br />
Sendo que a super-saturação é quando a umidade relativa<br />
excede o valor de equilíbrio de 100%. Logo uma parcela de ar<br />
com uma umidade relativa de 101.5% terá uma super-saturação<br />
de 1.5.
Nas nuvens, existem núcleos suficientes que não deixam a<br />
super-saturação crescer a valores acima de 1%. Uma <strong>das</strong><br />
características importantes da atmosfera, é que existem núcleos<br />
de condensação suficiente para produzir a formação de nuvens<br />
quando a umidade relativa exceder um mínimo de 100%.<br />
Se uma nuvem continuar a ascender, o seu topo pode ser<br />
esfriado a temperaturas inferiores a 0oC. Sendo que quando isso<br />
ocorrer, as gotas de água nesta nuvem são chama<strong>das</strong> de “gotas gotas<br />
super-resfria<strong>das</strong><br />
super resfria<strong>das</strong>”, e elas podem ou não se congelar,<br />
dependendo ou não da presença de núcleos de gelo (IC).<br />
Para gotas de água pura, o congelamento homogêneo<br />
ocorrerá somente quando a temperatura atingir –40 o C.
Entretanto, quando um número razoável de núcleos de<br />
gelo estiver presente na nuvem, o congelamento pode ocorrer a<br />
alguns graus abaixo de zero.<br />
Apesar de que estes aerossóis não sejam completamente<br />
conhecidos, eles são significativamente escassos na atmosfera,<br />
quando comparados com os CCN. Conseqüentemente a supersaturação<br />
de alguns décimos são extremamente incomuns na<br />
atmosfera, apesar <strong>das</strong> gotas de água na forma de superresfria<strong>das</strong><br />
são um estado regular de afinamento.<br />
O super-resfriamento abaixo de –15 o C não são tão<br />
comuns. Por esta razão um dos métodos mais comuns para a<br />
modificação artificial de nuvens é a da adição de núcleos de gelo<br />
(IC).
Uma nuvem tem uma concentração de várias centenas por<br />
centímetro cúbico com raio de ~ 10 μm.<br />
A precipitação se desenvolve quando a população de<br />
gotículas de nuvens torna-se instável inst vel, onde algumas gotículas<br />
crescem partir do custo <strong>das</strong> outras.<br />
Existem dois mecanismos os quais a micro-estrutura da<br />
nuvem pode se tornar instável:<br />
1) Colisão direta e ou seguida de coalescência (se juntam)<br />
de gotas de água gua e podem ser importantes em qualquer nuvem.<br />
2) Interação Intera ão entre gotas de água gua e cristais de gelo e está est<br />
confinado à nuvens que tem topos que excedem temperaturas<br />
inferiores à 0oC. C.
Quando cristais de gelo existem na presença de um<br />
grande número de gotas de água super-resfria<strong>das</strong> a situação é<br />
imediatamente instável.<br />
A pressão de vapor de equilíbrio equil brio sobre o gelo é<br />
menor que sobre a água gua sob a mesma temperatura e<br />
conseqüentemente conseq entemente os cristais de gelo crescem por<br />
difusão do vapor e as gotas evaporam para compensar.<br />
A transferência de vapor depende da diferença entre a<br />
pressão de vapor de equilíbrio da água e do gelo e é mais<br />
eficiente a temperaturas de ~ -15 o C.
Uma vez que os cristais de gelo cresceram por difusão a<br />
tamanhos apreciáveis e maiores que as gotículas de água, eles<br />
começam a cair relativamente em relação a elas e colisões<br />
tornam-se possíveis.<br />
Se as colisões são basicamente entre cristais de gelo,<br />
flocos de neve se formam. formam Se gotas de água são coleta<strong>das</strong>,<br />
pedras de gelo pequeno ou granizo podem se formar.<br />
Uma vez que as partículas caem abaixo da isoterma de<br />
0 o C, o derretimento pode ocorrer e as partículas que emergem a<br />
partir da base da nuvem como gotas de chuva são indistinguíveis<br />
<strong>das</strong> que foram forma<strong>das</strong> por colisão/coalescência.
Dimensão Dimens <strong>das</strong> Partículas Part culas
Nucleação de água líquida a partir de vapor d'água<br />
Qual é a chance real de colisões e agregações agrega ões de moléculas mol culas de<br />
água gua levar a formação forma ão de gotas embriônicas que estejam estáveis est veis<br />
e continuem a existir sob uma dada condição condi ão ambiente?<br />
1) A gota embriônica estará estável se o tamanho exceder<br />
um valor crítico.<br />
2) Na média, as gotas maiores que um tamanho crítico<br />
crescerão, enquanto que as menores irão diminuir.<br />
3) O que determina o tamanho crítico é o balanço entre as<br />
taxas opostas de crescimento (condensação) e decaimento<br />
(evaporação).<br />
4) Estas taxas, dependem se a gota se forma em um espaço<br />
livre (nuclea nucleação ão homogênea) homogênea ou em contato com outro<br />
corpo (nuclea nucleação ão heterogênea).<br />
heterogênea
A pressão de vapor de equilíbrio sobre a superfície de uma gota depende<br />
da sua curvatura e é dada por:<br />
e<br />
s<br />
(<br />
r)<br />
=<br />
e<br />
- e s (r): pressão de vapor de saturação sobre a superfície de uma gota<br />
esférica de raio “r”<br />
- σ: tensão superficial<br />
s<br />
⎧ 2σ<br />
( ∞)<br />
exp⎨<br />
⎩rRv<br />
ρLT<br />
⎫<br />
⎬<br />
⎭<br />
Eq. de Kelvin<br />
- ρ L , T e R v : densidade água líquida, temperatura, e constante dos gases<br />
para o vapor d’água<br />
- e s (∞) é a pressão de vapor de saturação sobre a água (esta é a variável<br />
mais facilmente medida).<br />
r es (r)
e : pressão de vapor ambiente<br />
(Taxa de crescimento) α α e – es (r)<br />
e < e s (r) evaporação evapora ão (gota diminue)<br />
e > e s (r) condensação condensa ão (gota cresce)<br />
Assim quando e = e s (r), a gota estará em equilíbrio e o raio crítico r c<br />
será:<br />
- S = e/ e s (∞): razão de saturação<br />
r < r c<br />
r > r c<br />
r c =<br />
2σ<br />
R v ρ L T ln S<br />
evaporação evapora ão (gota diminue)<br />
condensação condensa ão (gota cresce)
Nucleação Nuclea ão homogênea:<br />
Gotas de tamanho crítico são forma<strong>das</strong> por colisões aleatórias <strong>das</strong><br />
moléculas de água.<br />
A partir da termodinâmica estatística a taxa de nucleação por unidade de<br />
volume pode ser expresso aproximadamente por:<br />
J<br />
=<br />
4πr<br />
2<br />
c<br />
- m : massa da molécula de água<br />
- k : constante de Boltzmann<br />
2πmkT<br />
⎧<br />
exp⎨−<br />
⎩<br />
- n : número de densidade de moléculas de vapor<br />
e<br />
2<br />
4πr<br />
⎫ c σ<br />
⎬<br />
3kT<br />
⎭<br />
- Z : fator de Zeldovich ou de não equilíbrio, e é da ~ de 10 -2 em unidade<br />
de CGS.<br />
Z<br />
n
- Taxa significante de nucleação homogênea: 1 cm -3 s -1<br />
- S correspondente a J = 1 cm -3 s -1 é a razão de saturação crítica S c .<br />
- Teoria e dados experimentais, S c :<br />
~ 4.3 a 273 K, 6.3 a 250 K, e 3.5 a 290 K. K<br />
- Na atmosfera, S raramente excede 1 ou 2%.<br />
Nucleação Nuclea ão homogênea de água gua líquida l quida a partir do vapor não é possível poss vel na<br />
atmosfera.
A tabela acima mostra que são necessárias altas supersaturações<br />
para que pequenas gotículas se tornem estáveis. Por<br />
exemplo, quando a super-saturação é de 1%, S = 1.01, as gotas<br />
com raio menor que 0.121 μm são instáveis e tenderão a<br />
evaporar.
Logo, o que é necessário necess rio para diminuir a Sc formar então uma gota????<br />
( ou e ( ou es (r (rc ) ) e<br />
Adição de soluto!!!!! - Nucleação Nuclea ão heterogênea<br />
Partículas higroscópias: CCN – Cloud Condensation Nuclei<br />
Como resultado, a gota da solução solu ão pode estar em equilíbrio equil brio<br />
com o ambiente a uma super-satura<br />
super saturação ão bem menor que a da<br />
gota de água gua pura de um mesmo tamanho.
Aerossóis<br />
Definição: Sistema constituído por uma fase dispersora<br />
(gasosa) e uma fase dispersa (sólida ou líquida)<br />
I Aitken* (nucleação de partículas)** 0,001μm
dN/dlogD (cm -3 )<br />
Distribuição de tamanho<br />
100000<br />
10000<br />
1000<br />
100<br />
10<br />
1<br />
0,1<br />
0,01<br />
marítimo continental rural<br />
urbano local complemento<br />
0,001 0,01 0,1 1 10<br />
D (μ m)
Propriedades básicas dos CCNs<br />
molécula de água molécula de soluto
Efeito da Curvatura<br />
e do Soluto<br />
ehr<br />
⎡ b ⎤⎡<br />
a ⎤ a<br />
= 1 1 = 1+<br />
−<br />
3<br />
e ⎢<br />
−<br />
r ⎥⎢<br />
+<br />
⎣ ⎦⎣<br />
r ⎥<br />
⎦ r<br />
s<br />
Eq. Kohler<br />
b<br />
r<br />
3
Raio e Saturação Crítica<br />
b<br />
a<br />
S<br />
a<br />
b<br />
r<br />
r<br />
b<br />
r<br />
a<br />
dr<br />
d<br />
dr<br />
dS<br />
e<br />
e<br />
dr<br />
d<br />
s<br />
hr<br />
27<br />
4<br />
1<br />
3<br />
0<br />
1<br />
0<br />
3<br />
*<br />
*<br />
3<br />
+<br />
=<br />
=<br />
=<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
−<br />
+<br />
=<br />
=<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛
Curvas de Kohler
Crescimento por Condensação<br />
Difusão de Vapor Condução de Calor
t<br />
c<br />
c<br />
S<br />
r<br />
t<br />
r<br />
t<br />
c<br />
c<br />
S<br />
r<br />
t<br />
r<br />
dt<br />
c<br />
c<br />
S<br />
rdr<br />
c<br />
c<br />
S<br />
dt<br />
dr<br />
r<br />
e<br />
e<br />
b<br />
r<br />
sr<br />
r<br />
)<br />
2<br />
1<br />
1<br />
(<br />
2<br />
)<br />
(<br />
)<br />
2<br />
1<br />
1<br />
(<br />
2<br />
)<br />
(<br />
2<br />
1<br />
1<br />
2<br />
1<br />
1<br />
1<br />
2<br />
0<br />
2<br />
0<br />
2<br />
0<br />
0<br />
+<br />
−<br />
+<br />
=<br />
+<br />
−<br />
+<br />
=<br />
+<br />
−<br />
=<br />
=><br />
+<br />
−<br />
=<br />
=><br />
=<br />
∫<br />
∫<br />
Somente o<br />
efeito de<br />
Curvatura<br />
Levando em<br />
conta o efeito<br />
do Soluto<br />
Solução<br />
implica em Lei<br />
Parabólica
• Agora podemos avaliar a Saturação quando<br />
uma população de gotículas esta crescendo?<br />
dS<br />
dt<br />
=<br />
onde P é a produção por levantamento e C a redução por<br />
condensação. Abrindo os termos temos:<br />
P<br />
−<br />
C<br />
dS dz dχ<br />
= Q − Q<br />
1<br />
2<br />
dt dt dt<br />
1º termo é o aumento da saturação devido ao esfriamento<br />
adiabático e o segundo termo é a diminuição da saturação<br />
devido à condensação d’água. χ é o conteúdo de água<br />
líquida total.
dr<br />
dt<br />
=<br />
(<br />
S<br />
F F<br />
a b<br />
−1)<br />
− + 3<br />
r r<br />
+<br />
k<br />
• Então, utilizando a equação de<br />
crescimento da gotícula com o efeito da<br />
saturação, curvatura e soluto, e a equação<br />
da variação da saturação, podemos<br />
avaliar a evolução do espectro de<br />
gotículas, a partir da definição de uma<br />
distribuição de CCN e uma velocidade<br />
vertical.<br />
d
• Por exemplo, assumindo uma velocidade<br />
vertical (u=dz/dt) de 15 cm/s e uma<br />
concentração de CCN moderado na base<br />
da nuvem, Mordy (1959) apresentou os<br />
seguintes resultados, Figura 1.
S<br />
Figura 1. Crescimento de gotículas de nuvens (curva contínua preta)<br />
para diferentes massas e variação da super-saturação acima da base<br />
da nuvem (Adaptado de Mordy, 1959) (linha tracejada em vermelho)
• Em outro exemplo, temos uma simulação<br />
com 2 velocidades verticais, 0,5 e 2 m/s.<br />
Sendo que a população de NCN de<br />
cloreto de sódio é representado pela<br />
equação abaixo:<br />
NCN =<br />
−3<br />
[ cm ] 650S<br />
0,<br />
7<br />
, onde S é a saturação.
Como as gotas crescem dentro dessas<br />
parcelas de ar?<br />
Deve haver colisão + coalescência!!!<br />
Colisões podem ocorrer a partir de diferentes respostas <strong>das</strong> gotículas com<br />
as forças: gravitacional, elétrica e aerodinâmica.<br />
O efeito gravitacional predomina nas nuvens: gotas grandes caem mais<br />
rápido que as pequenas, logo passando e capturando uma fração <strong>das</strong><br />
gotículas que ficam ao longo do seu caminho.<br />
O efeito elétrico e turbulento necessário para produzir um número<br />
comparável de colisões, é muito maior que usualmente existe na<br />
natureza, apesar de que campos elétricos intensos em tempestades<br />
possam criar efeitos locais significativos
A colisão não garante coalescência, pois<br />
quando um par de gotas colide várias<br />
interações são possíveis:<br />
1 – Elas podem se rebater a parte;<br />
2 – Elas podem coalescer e permanecer<br />
uni<strong>das</strong>;<br />
3 – Elas podem coalescer<br />
temporariamente e se separar,<br />
aparentemente retendo suas identidades<br />
inicias;<br />
4 – Elas podem coalescer<br />
temporariamente e se quebrar em várias<br />
gotículas menores.<br />
Para tamanhos menores que 100<br />
microns em raios as interações (1) e (2)<br />
são as mais importantes
d) Velocidade terminal <strong>das</strong> gotículas:<br />
F D<br />
=<br />
6 πηrV , r < 50μm<br />
( ) 3<br />
ρ − ρ g 4πr<br />
ρ g<br />
3<br />
FG =<br />
4πr l ar ≅ l<br />
- η é a viscosidade<br />
- ρ l e ρ ar são as densidades do líquido e do ar<br />
- r é o raio da gota<br />
- V é a velocidade.
Quando F D =F G temos que V V T (Velocidade terminal da gota)<br />
Logo temos que V T pode ser expresso como:<br />
V T = 2<br />
9 r2 ρ l<br />
η g<br />
R (μm) V T (cm/s)<br />
1 0,012<br />
10 1,2<br />
30 10,9<br />
50 30,2
Podemos ainda expressar a velocidade terminal em função do número de<br />
Reynolds<br />
V<br />
T<br />
onde μ é a viscosidade dinâmica, Re é o número de Reynolds, C D é o<br />
coeficiente de arrasto.<br />
=<br />
Para gotas bem pequenas, a solução de Stokes para um fluxo ao longo de<br />
esferas mostra que:<br />
C D R e<br />
24<br />
2 2<br />
9<br />
r<br />
= 1<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
ρl<br />
CDR<br />
24<br />
e<br />
g<br />
⎞<br />
⎟μ<br />
⎠
logo, temos que a velocidade terminal pode ser descrita por:<br />
onde K1 ~ 1,19 x10 6 cm -1 s -1 .<br />
V T = 2<br />
9 r2 ρl µ g= K 2<br />
1r Esta dependência quadrática da velocidade terminal é conhecida como lei<br />
de Stokes e aplica-se para gotículas com raios menores que 30 μμμμμμμμm. m.
Para CD grandes, este coeficiente torna-se independente do Re e CD ~ 0.45,<br />
sendo que isto é valido para gotículas com raios no intervalo de: 0.6 mm à<br />
2 mm<br />
sendo que<br />
K<br />
2<br />
1/ 2<br />
V T = K 2r 1/<br />
2<br />
3⎛<br />
ρ0<br />
⎞ 1/<br />
2 −1<br />
= 2,<br />
2x10<br />
⎜ ⎟ cm s<br />
ρ ⎠<br />
onde ρ é a densidade do ar e ρ o = 1,20 kg/m 3 à P = 101.3 kPa e T = 20 o C<br />
⎝
Para raios no intervalo de: 40 μμμμμμμμm m à 0.6 mm,<br />
sendo que<br />
K<br />
V T = K 3 r<br />
3<br />
3<br />
= 8x10<br />
, ( s<br />
−1<br />
)
Definindo:<br />
a) Eficiência de colisão:<br />
E colisão=<br />
b) Eficiência de coalescência:<br />
E coalescência =<br />
número colisões<br />
número gotículas novolume de varredura<br />
c) Eficiência de coleta:<br />
número gotículas coalesci<strong>das</strong><br />
número colisões<br />
Ecoleta= Ecolisão× Ecolescencia número gotículascoalesci<strong>das</strong><br />
Ecoleta =<br />
número gotículas novolume de varredura
X o é a distância mínima para<br />
colisão<br />
E<br />
( R,<br />
r)<br />
πX<br />
=<br />
π<br />
( ) ( ) 2<br />
2<br />
R + r R + r<br />
Portanto a eficiência de colisão é<br />
igual a fração <strong>das</strong> gotículas com<br />
raio r que são engoli<strong>das</strong> pela gota<br />
coletora de raio R que atualmente<br />
colide.<br />
Por outro lado, E(R,r) pode ser<br />
interpretado como sendo a<br />
probabilidade de colisão de uma<br />
gotícula se ela estivesse em um<br />
volume cheio de gotículas<br />
aglutina<strong>das</strong>.<br />
2<br />
0<br />
=<br />
X<br />
2<br />
0
E ~1 r/R ~ 0.6
Equação Equa ão de crescimento por coalescência:<br />
Suponha uma gota coletora de raio R e<br />
velocidade Terminal V2, caindo em uma<br />
população uniforme de gotículas menores<br />
com raio “r” e velocidade terminal V1.<br />
Durante uma unidade de tempo, a gota<br />
coletora irá coletar gotículas de raio “r” em<br />
um volume descrito por:<br />
( ) 2<br />
R + r ( V −V<br />
)dt<br />
dV 2 1<br />
= π
Assumindo um crescimento contínuo, a massa da gota coletora crescerá:<br />
dM = dVW l<br />
onde W l é o conteúdo de água líquida (massa de água líquida por unidade<br />
de volume)<br />
( ) 2<br />
R + r ( V −V<br />
) W dt<br />
dM = dVWl<br />
= π<br />
2 1 l
como a gota coletora somente coleta uma fração <strong>das</strong> gotículas, temos que:<br />
( ) 2<br />
R + r ( V −V<br />
) W E(<br />
R r)dt<br />
dM = π<br />
l ,<br />
onde E(R,r) é a eficiência de coleta, que é o produto da eficiência de colisão<br />
e coalescência,<br />
E<br />
( R,<br />
r)<br />
=<br />
quando as gotículas são iguais em tamanho e menores que 100 microns, é<br />
usualmente assumido que E = 1, logo eficiência de coleta = eficiência de<br />
colisão.<br />
2<br />
X<br />
2<br />
0<br />
1<br />
( ) 2<br />
R + r
Dessa maneira temos:<br />
dM<br />
dt<br />
= π<br />
( ) 2<br />
R + r ( V −V<br />
) W E(<br />
R,<br />
r)<br />
mas a massa da gota coletora pode ser expressa por:<br />
2<br />
M = 4<br />
3 πR3 ρ l<br />
1<br />
l
então<br />
logo temos:<br />
4 4<br />
dM = πρ ld<br />
l = l<br />
3 3<br />
dM<br />
dt<br />
dR<br />
dt<br />
( 3 ) 2<br />
2<br />
R = πρ 3R<br />
dR 4πρ<br />
R dR<br />
2 dR<br />
= πρl<br />
R = π<br />
dt<br />
2 ( R + r)<br />
( V −V<br />
) W E(<br />
R,<br />
r)<br />
4 2 1<br />
=<br />
2 ( R + r)<br />
( V −V<br />
)<br />
R<br />
2<br />
2<br />
4ρ<br />
l<br />
1<br />
E<br />
( R,<br />
r)<br />
Wl<br />
l
Assumindo que E(R,r) e W l são constantes e<br />
V2 >> V1 e<br />
( R + r)<br />
R<br />
2<br />
2<br />
≅ 1<br />
Dessa maneira, a equação de crescimento pode ser descrita como:<br />
dR<br />
dt<br />
=<br />
V<br />
2<br />
EWl<br />
4ρ<br />
MODELO DE BOWEN<br />
l
1o caso: gotas iguais (r=10μm) (r=10 m) devagar,<br />
não preciptia.<br />
2o caso: coletora com 2x mais massa <br />
gota precipita!<br />
U: gota chega a níveis n veis mais altos, mais<br />
tempo dentro da nuvem.
Distribuição de Gotículas<br />
S 1 = 10 μm S 2 = 20 μm<br />
(a) To<strong>das</strong> as colisões possíveis<br />
(b) Somente colisões entre a S1
Distribuição de Gotículas<br />
S 1 = 10 μm S 2 = 20 μm<br />
(c) Somente colisões entre as goticulas S1 e S2<br />
(d) Somente colisões entre as goticulas S2
Condensação e Coalescência via<br />
processo Estocástico
(a) Sem Condensação<br />
(b) Com Condensação
Nc(cm -3 )=105 S 0.63
Nc(cm -3 ) = 1450 S 0.84 .
Como são formados os cristais de<br />
gelo dentro dessas parcelas de ar?<br />
Quando a parcela atinge T < 0 o C:<br />
Gotículas superesfria<strong>das</strong> até T ~ -40 o C<br />
Congelamento de gotículas<br />
Sublimação<br />
Se vapor na nuvem esta saturado em relação<br />
à água líquida, estará supersaturado em<br />
relação ao gelo:<br />
e s-líq (r) > e s-sól (r)<br />
Crescimento ~ dezenas microns em alguns minutos
Nucleação Nuclea ão homogênea:<br />
Ocorre quando moléculas de vapor formam embriões de gelo estáveis a<br />
partir de colisões.<br />
Cálculos teóricos prevêem que a deposição por nucleação homogênea<br />
deve ocorrer em condições extremas de super-saturação [~ 20 X maior que<br />
a super-saturação com respeito ao gelo para temperaturas ~ 0 o C, e<br />
valores mais alto ainda para temperaturas mais baixas].<br />
Portanto podemos eliminar a idéia id ia de deposição deposi ão homogênea e afirmar que<br />
as gotículas got culas de água gua se congelarão primeiro, e infelizmente não teríamos ter amos<br />
condição condi ão de identificar qual a formação forma ão original do cristal de gelo.<br />
Usualmente, um número apreciável de cristais de gelo aparece em nuvens<br />
quando estas atingem T < –15 o C, significando assim a presença de<br />
nucleação heterogênea.
Nucleação Nuclea ão heterogênea:<br />
Ocorre sobre núcleos de condensação<br />
de gelo: IN – Ice Nuclei<br />
Deposição Deposi ão heterogênea:<br />
- sublimação sublima ão (deposição (deposi ão vapor)<br />
- condensação<br />
condensa ão congelamento<br />
-- contato congelamento<br />
-- imersão condensação<br />
condensa ão <br />
congelamento
Núcleos cleos de Gelo
Coluna<br />
Dendrite<br />
Agulha<br />
Dendrite – Prato Simples<br />
Dendrite Estrelar<br />
Rime<br />
Graupel<br />
Granizo
Habitat dos Cristais de Gelo
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 de neve com 12 lados
Balas de roseta<br />
Dendrites espalhadores<br />
Cristal que se congela – rime/graupel
Cristal irregular<br />
Neve artificial
Crescimento de Cristais de Gelo versus o de Coalescência