Formação de cristais de gelo por resfriamento homogêneo
(Atualizado em 04/07/2023)
Gotas de água pura não congelam a 0ºC, elas precisam ser mais frias ainda. Grandes gotas de água irão congelar em temperaturas menos frias do que as gotas menores. As gotas menores necessitam temperaturas mais frias para se congelarem, assim encontraremos mais gotas pequenas do que gotas grandes na parte superior da nuvem.
A formação de cristais de gelo por resfriamento homogêneo ocorre quando um líquido é resfriado uniformemente abaixo de sua temperatura de congelação. Durante esse processo, as moléculas do líquido começam a se arranjar em uma estrutura regular, formando um sólido cristalino - o gelo.
Quando o líquido é resfriado gradualmente, a energia térmica das moléculas diminui, o que faz com que elas se movam menos e se agrupem em posições ordenadas. À medida que o resfriamento continua, a formação dos cristais de gelo progride e pode seguir um padrão específico, dependendo das condições e da composição do líquido.
O processo de formação de cristais de gelo é influenciado por vários fatores, incluindo a taxa de resfriamento, a pureza do líquido, a presença de nucleadores (substâncias que facilitam a formação de cristais) e outros aspectos específicos do sistema em estudo.
Crescimento de cristais de gelo através de deposição
O vapor pode depositar núcleos de gelo (NG) na nuvem. Tende a haver mais núcleos de condensação (NCN) do que núcleos de gelo (NG). Então tende a haver mais gotículas de água super-resfriada formadas por condensação do que partículas de gelo formadas por deposição em altitudes onde -40ºC<T<0ºC.
O crescimento de cristais de gelo por meio de deposição ocorre quando o vapor de água ou água em forma de névoa se condensa e se transforma diretamente em cristais de gelo em uma superfície sólida. Esse fenômeno é conhecido como sublimação, onde a água na forma gasosa passa diretamente para a fase sólida, sem passar pela fase líquida intermediária.
Durante a deposição, o vapor de água condensa-se em cristais de gelo diretamente na superfície de um objeto ou substrato, criando uma camada de gelo. Para ocorrer a deposição, a superfície deve estar mais fria do que a temperatura de congelamento do vapor de água circundante.
O crescimento dos cristais ocorre à medida que mais vapor de água é depositado na superfície do gelo existente, fazendo com que os cristais de gelo cresçam e se expandam com o tempo. Esses cristais podem assumir diferentes formas e padrões, dependendo das condições ambientais, da pureza da água e de outros fatores.
A deposição de cristais de gelo pode ser observada em muitos contextos, como a formação de geada em superfícies frias durante a noite, o crescimento de floco de neve em nuvens frias e a formação de camadas de gelo em objetos expostos ao ar úmido em temperaturas abaixo de zero.
Crescimento de cristais de gelo através de resfriamento por contato
Ocorre quando uma gota super-resfriada fica em “contato” com um núcleo de gelo o que causa o congelamento da gota super-resfriada.
O crescimento de cristais de gelo por resfriamento por contato acontece quando um objeto ou superfície sólida em contato com uma solução ou suspensão líquida contendo água é resfriado abaixo da temperatura de congelamento. Nesse processo, a água presente na solução ou suspensão começa a se solidificar na forma de cristais de gelo.
Quando o objeto ou superfície em contato é resfriado, ocorre a transferência de calor do objeto para o líquido, reduzindo a energia térmica das moléculas de água presentes na solução ou suspensão. Com isso, essas moléculas perdem energia suficiente para se agregarem e formarem os cristais de gelo.
O crescimento dos cristais ocorre à medida que mais água congela e se adere à superfície do objeto ou aos cristais de gelo já formados, aumentando seu tamanho e complexidade. A forma e a estrutura dos cristais dependem das condições específicas do sistema, incluindo a taxa de resfriamento, a composição da solução ou suspensão líquida e a natureza da superfície em contato.
Esse tipo de crescimento de cristais de gelo por resfriamento por contato pode ocorrer em várias situações, como quando um objeto é mergulhado em uma solução aquosa e resfriado, ou quando uma suspensão líquida é colocada em contato com uma superfície fria.
Acreção/ Riming
Ocorre quando gotas super-resfriadas se congelam em partículas de gelo, a partícula resultante é frequentemente reconhecida como graupel.
A acreção, também conhecida como riming, é um fenômeno meteorológico no qual o cristal de gelo em formação colide com gotículas de água super-resfriada presentes nas nuvens, resultando na adesão dessas gotículas ao cristal. Isso leva ao aumento do tamanho e da complexidade dos cristais de gelo.
Durante o processo de acreção, as gotículas de água super-resfriada contatam o cristal de gelo e se congelam instantaneamente, formando uma camada de gelo ao redor do cristal. Esse processo ocorre em condições específicas de temperatura e umidade, nas quais as gotículas de água ainda permanecem líquidas mesmo estando abaixo do ponto de congelamento.
O riming é mais comumente observado em nuvens de tipo estratiforme, como as nuvens cirrus e cirrostratus, onde a temperatura é muito baixa e as gotículas de água super-resfriada estão presentes. Essas nuvens são geralmente encontradas em altitudes elevadas na atmosfera.
O resultado da acreção é a formação de cristais de gelo com uma cobertura de gelo ao redor, denominados "rime ice". Esses cristais podem adquirir uma aparência irregular e esponjosa, com a presença de projeções e protuberâncias de gelo. O riming é um processo importante na formação de nuvens do tipo cirrus espessos e na geração de precipitação congelada, como granizo.
O estudo da acreção é relevante para entender os processos de formação de nuvens, o desenvolvimento de sistemas meteorológicos e a previsão de condições climáticas, especialmente em relação à formação de gelo em aeronaves e infraestruturas expostas a essas condições.
Agregação
Ocorre quando duas partículas de gelo ficam juntas, formando uma partícula maior. Todos os processos supracitados estão ocorrendo numa nuvem fria para formar partículas de gelo:
*Resfriamento homogêneo*Deposição
*Resfriamento por contato
*Acreção
*Agregação
