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Capitulo 11 ESTABILIDADE ATMOSFERICA PDF
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HIDROLOGIA FISICA
ESTABILIDADE ATMOSFÉRICA
Vimos no capítulo anterior que uma massa de ar seco, subindo adiabaticamente, perde calor
na base de 9,8oC/km (~ 10oC/km) e que, se úmido, essa massa de ar terá adição do calor
latente à medida que o vapor d'água condensa, fazendo com que essa taxa de variação da
temperatura com a altitude seja inferior a 10oC/km.
Vimos também que tal taxa aumenta com a altitude (mantida a temperatura) e diminui com a
temperatura (mantida a altitude), de modo que quando a altitude cresce (pressão diminui) os
valores da taxas seca e úmida vão se aproximando de 10oC/km, porque o ar vai tendendo a
ficar seco. Veja quadro ao lado sobre os gradientes de temperatura com a altitude.
Elevado o balão, a pressão mais baixa do lado de fora fará com que ele se expanda. Por não
haver outra fonte de energia, as moléculas de ar precisam usar sua própria energia para
expandir o ar, o que resultará na queda da temperatura interna. Se o balão for trazido para a
superfície, ele retorna para as condições iniciais.
Se a parcela de ar que se expande e resfria (ou comprime e aquece) faz isso sem trocar de
calor com ar circundante estamos diante de um processo adiabático... a taxa adiabática de
resfriamento ou aquecimento permanece constante durante todo o processo. Mas veja que se
o ar subir e resfriar... e o consequente aumento da umidade relativa levar a uma situação
próxima ao Ponto do Orvalho (UR=100%), poderá iniciar uma condensação do vapor d'água
da parcela de ar. Nesse caso o calor latente liberado dentro do balão ascendente mudará a
temperatura do ar (no sentido de diminuir o resfriamento adiabático). Por isso o balão não
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seguirá a DALR e sim a taxa SALR que é menor do que 10oC/km. Perceba que a DALR é
constante, mas a SALR variará com a umidade. Quanto mais úmida menor será o valor de
SALR... mas as duas taxas serão similares quando o ar ascendente é muito frio.
Vejamos uma hipótese típica dos ares circundantes. Se, anteriormente, ele subiu e resfriou e
choveu... secando parcialmente as nuvens... uma eventual descida desse ar não mais retornaria
para a temperatura original, pois teria menos água para evaporar. Além disso, essa parcela
de ar pode, lentamente, permanecer trocando calor com o ambiente e alterando suas
condições de temperatura e pressão. Isto é, em condição mais comumente encontrada na
natureza, a massa do balão encontra um ar circundante com características muito diferente
daquela em que se encontra internamente. Em outras palavras, a atmosfera circundante foi
lentamente formando um quadro de temperatura e pressão completamente diferente do
quadro formado dentro do balão ascendente de nossa experiência. Assim, ao movermos
nosso balão para cima, ele pode estar nas seguintes condições:
(1) Mais quente que o meio circundante (INSTABILIDADE ATMOSFÉRICA) e continuará a subir
independentemente do movimento inicial que demos ao balão.
(2) Igualmente quente que o meio circundante (INDIFERENÇA ATMOSFÉRICA)
(3) Menos quente que o meio circundante (ESTABILIDADE ATMOSFÉRICA) e descerá
independentemente do movimento inicial que demos ao balão.
(4) menos quente que o meio circundante somente numa determinada faixa de altitude
(ESTABILIDADE ATMOSFÉRICA CONDICIONADA) e descerá até a base ou até encontrar uma faixa de
altitude de indiferença atmosférica.
Vejamos o seguinte exemplo: O perfil de temperatura mostra uma taxa de 4oC/km e uma
parcela de ar em estudo encontra-se na superfície na temperatura de 30oC. Se essa parcela
estiver seca e começar a ser elevada rapidamente, ela resfriar-se-á na taxa de 10oC/km e na
altitude mil metros ela estará a 20oC, isto é 6oC mais baixo que o meio circundante. Se essa
parcela estiver úmida e subir numa taxa de 6oC/km, na tal altitude mil metros ela estará a
24oC, isto é 2oC mais baixo que o meio circundante.
Veja que em ambos os casos do exemplo, o ar ascendente é mais frio (e pesado) do que o ar
circundante, o que caracteriza uma atmosfera absolutamente estável. Nesse caso, se a massa
de ar for mantida, por qualquer razão, ascendente (e portanto não podendo descer) ela irá
espalhar-se horizontalmente, formando nuvens horizontais em camadas finas e horizontais.
que o ar ambiente e continua a subir. Portanto, a estabilidade absoluta ocorre quando a taxa
de variação da temperatura do ambiente é menor que a SALR.
AMBIENTE AMBIENTE
A figura ao lado mostra que em 1000m a
SALR
temperatura ambiente (cor roxa) é 15°C e
que a parcela ascendente (azul) resfriou-se NC 2000 m
para 10° C... ficando mais densa que o
ambiente. Mesmo que ela fosse "ascendida"
acima do (NC) nível de condensação por 1000 m
um mecanismo qualquer de ascensão, ela
permaneceria mais fria (e densa) que o DALR
ambiente e tenderia a retornar à superfície.
-20oC 0oC 20oC
A instabilidade absoluta irá ocorrer quando a taxa de variação de temperatura do ambiente (cor
verde) for maior que DALR. Conforme mostrado na figura, a parcela ascendente (azul) é
sempre mais quente que o ar ambiente e permanecerá subindo.
Embora a instabilidade absoluta possa ocorrer em dias muito quentes, esta condição é
geralmente confinada aos primeiros quilômetros da atmosfera. Vejamos então um exemplo
de uma atmosfera em um dia qualquer.
Isto é, a atmosfera desse local é estável até a altitude de ~2300m e instável a partir daí.
Veja que a palavra “condicionada” deve ser usada porque a parcela de ar precisa ser
mecanicamente ascendida antes de se tornar instável e subir sozinha. Isto é, a instabilidade
está condicionada a ocorrencia de um mecanismo de ascenção que eleve a massa de ar úmido
para alem de 2800 metros de altitude.
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Por que uma nuvem se forma a uma determinada altitude? Vejamos como é possível estimar
a altitude de uma nuvem convectiva. Vamos admitir que um gradiente térmico médio para o
dia e a região em analise seja 8oC/km. Vamos admitir que o Ponto de Orvalho na superfície
seja PO=25oC e vá diminuindo numa taxa de 2oC/km. Sabendo que a temperatura na
superfície em estudo é de 32oC, qual seria uma estimativa para a base da nuvem convectiva
que irá se formar?
A curva de pressão de vapor saturante foi mostrada rapidamente no capítulo anterior, mas ela
precisa ser motivo de máxima atenção do leitor. Assim, vamos revisitar o assunto:
temp pressão 60
oC
mb kg/cm2 cm Hg
0 6,11 0,006 0,46 50
esat
mb
Vejamos uma massa de ar (representada pelo ponto vermelho no gráfico). Essa massa tem
uma temperatura de 26oC e uma pressão de vapor de 25 mb. Podemos tornar essa massa de
ar como saturada de três formas distintas, a saber:
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Somente adicionando umidade: Se colocarmos água nessa massa, a pressão de vapor irá
crescer até chegar ao seu valor máximo. Nesse instante a massa estará saturada. Esse proce-
dimento será feito mantendo-se a temperatura da massa e está representado no gráfico pela
linha vermelha.
Somente resfriando: Se resfriarmos essa massa, a pressão de vapor irá decrescer até chegar
ao seu valor mínimo. Nesse instante a massa estará saturada. Esse procedimento será feito
mantendo-se a pressão da massa e está representado no gráfico pela linha verde.
O valor do Ponto de Orvalho dessa massa, por definição, será igual à TPO e está indicado pela
seta vertical verde no gráfico (TPO = ~22oC)
De posse dos conceitos expostos no Capitulo anterior e dos conceitos sobre esat, agora
expostos, podemos entender como se formam as chuvas dentro das nuvens. Para tanto
precisamos conhecer os “núcleos” em torno dos quais a umidade das nuvens irá acumular.
De fato, água, quando pura (destilada), pode não congelar até atingir temperaturas de -40°C
(água sobresfriada) e necessita um núcleo-de-congelamento para iniciar o processo de
congelamento. Como os núcleos-de-congelamento não são abundantes e ativos na atmosfera
com temperatura entre 0 e -10°C, as nuvens ali formadas são frequentemente compostas de
gotículas de água sobresfriada. Entre -10 e -20°C gotículas líquidas coexistem com cristais
de gelo. Abaixo de -20°C, as nuvens são inteiramente de cristais de gelo.
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As cumulonimbus maduras costumam ser compostas por cristais de gelo na parte mais
elevada, por uma mistura de gotículas superesfriadas e cristais de gelo na parte média e
gotículas de água na parte inferior. Além disso, as fortes correntes de convecção dentro do
cumulonimbus transportam gotículas líquidas para cima, onde elas congelam.
Veja que os núcleos que formam gotículas de água são mais abundantes que núcleos que
formam cristais de gelo... por isso nas nuvens com temperaturas entre -10e -20°C tem mais
gotículas sobresfriada do que cristais de gelo. Um único cristal de gelo fica rodeado por
milhares de gotículas sobresfriada.
Veja também que a pressão de vapor saturante sobre cristais de gelo é menor do que sobre
água sobresfriada (ver tabela). Isso ocorre porque o
gelo é sólido e as moléculas d'água ficam mais Temperatura esat(mb)
(oC) sobre agua sobre gelo
firmemente juntas do que aquelas líquidas. Portanto,
é mais fácil para as moléculas d’água escapar de 20 23,33
gotículas líquidas... e a pressão de vapor saturante é 10 12,27
maior sobre as gotículas líquidas que sobre os
cristais de gelo. Conseqüentemente, um ar saturado 0 6,11 6,11
(UR=100%) sobre gotículas líquidas é supersaturado -10 2,86 2,60
(UR=110%) sobre gelo. A teoria de Bergerons se -20 1,25 1,03
apoia nessa diferença de esat sobre a água e gelo.
Por exemplo: Considere uma nuvem a -10°C, com gelo rodeado por milhares de gotículas,
onde o ar é saturado sobre o líquido (e supersaturado sobre o gelo); Como resultado da
supersaturação, os cristais de gelo perdem água por sublimação e ganham muito mais água
pela remoção de vapor d’água da nuvem. Com isso, a UR cai abaixo de 100% e gotículas se
evaporam. Isto é, os cristais de gelo crescem às custas das gotículas de água sobresfriada.
O rápido engordamento dos cristais faz eles caírem... e na queda esses cristais engordam
mais pela intercepção de gotículas sobresfriadas de nuvem (acreção), gerando queda de
granizo. Mas os cristais de gelo podem também engordar colidindo/aderindo uns aos outros,
formando flocos de neve (agregação). Se a temperatura próximo ao solo é positiva, os flocos
de neve derretem e caem como chuva.
Para nuvens mais quentes, compostas de gotículas líquida, a queda costuma ocorrer depois
do engordamento ao redor partículas higroscópicas. Na queda, elas colidem com gotículas
menores (mais lentas) e seguem engordando... e aumentam a chance de nova colisão/cresci-
mento. Após milhares de colisões elas ficam suficientemente grandes para cair até a
superfície sem evaporar. Essa é a teoria da coalescência.O diâmetro de uma gota de chuva
pode chegar até 6 mm (velocidade de ~30km/h), mas depois disso, a tensão superficial não
consegue mantê-la inteira e a gota se parte.
Se pertubada em seu equilíbrio instável de sobrefusão, a cerveja superfundida sai do estado instável e volta aos estados
tradicionais “liquido – sólido”. O estado líquido da água pode existir em temperaturas superiores à do ponto de ebulição e em
temperaturas inferiores ao ponto de solidificação. Esses estados anômalos são chamados de METAESTADOS.
O calor da mão é suficiente para disparar um fenômeno chamado sobrefusão da água da cerveja. Esse calor libera o gás
contido no liquido, o que reduz a temperatura do líquido e congela-o. A cerveja contem CO2 em duas formas: (1) gás onde não
há líquido e (2) gás dissolvido na cerveja. O resfriamento lento faz com que a mistura fica em um estado de sobrefusão,
bastante instável. Ao retirarmos a garrafa do congelador sem cuidados especiais, disparamos um desequilíbrio em seu interior:
Mais CO2 dissolvido saí do liquido para o interior da garrafa, o que reduz a temperatura do líquido. Daí o congelamento
imediato. Se segurarmos a garrafa cuidadosamente pelo gargalo, a alteração é menor e pode não ser um “gatilho” para o
congelamento. Também é razoavelmente comum acontecer isso com a coca-cola... e muitas vezes parece que a coca-cola
congela a medida em que vai caindo no copo. (verhttp://www.huffingtonpost.com/2013 /07/02/self-freezing-coke-video_n_3530796.html).
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No caso da cerveja que estamos abordando, o fenômeno segue o gráfico da direita....e, nesse caso, podemos
perguntar: Quando a cerveja encontra-se em sobrefusão na temperatura de -4oC , qual a parcela de cerveja que ficará
congelada quando segurarmos a garrafa sem cuidado?
Para responder facilmente essa pergunta vamos supor que a cerveja comporte-se como água.
Seja M a massa de cerveja e seja N a massa que congela. Sabendo-se que o calor latente é L =80 cal/g, vemos que a
massa M perde uma quantidade de calor (Q) no período de sobrefusão (BE).
Q = Mct= M (1) (0-4) = -4M
Se a sobrefusão não tivesse ocorrido, ao perder tal quantidade de calor, teria sido congelado uma massa N (linha BF)
Q = N L = N (-80) = -80N
A massa N de gelo que se forma ao agitar é a mesma que teria sido formado na solidificação normal. Assim, podemos
igualar as expressões:-4M = -80N ouN = (1/20) Mouirá se congelar cerca de 5% da cerveja.
Similarmente, pode haver o metaestado que permite a água pura (destilada) estar superaquecida (acima de 100oC na
pressão de 1 atm) sem ocorrer ebulição. Em panelas, tal fato é impossível, devido às pertubadoras correntes de convecção
(ver a janela sobre ebulição). No entanto, se for aquecida lentamente no microndas, sem prato giratório, é possível promover o
metaestado. Não é muito incomum ocorrer uma “explosão” num recipiente de água após a abertura da porta do microndas.
Essa intensa e brusca (ebulição) transformação de parte do líquido em vapor, com repentino aumento de volume, produz a tal
“explosão”. Essa repentina demanda por calor latente líquido-vapor requereu uma quantidade de energia considerável. Isto é,
a parte da água que evaporou precisou roubar calor da outra parte liquida, com consequente queda de temperatura.
Veja que tal fato interfere na formação dos núcleos de condensação e congelamento e os
consequentes fenômenos de agregação, acreação e coalescência, descritos no item anterior.