Questões de Microfísica de Nuvens (resolvidas)
1.Em determinadas situações de risco de congelamento das asas de uma aeronave em voo é recomendável levar a aeronave para uma altitude MAIOR. Explique.
O congelamento do avião é causado pela água super-resfriada e também pelas gotas de nuvem ou chuva super-resfriada. Gotas super-resfriadas de nuvem estão geralmente abaixo de -20ºC, assim como os núcleos de condensação de gelo são mais comuns abaixo de -20ºC. Então, se um avião está voando através de uma nuvem em fase mista, a quantidade de água super-resfriada na nuvem deveria se tornar menor se o avião voar mais alto em temperaturas mais frias, onde há mais gelo, o qual apenas salta para fora do avião. Entretanto, há relatos de água super-resfriada em movimentos de ar ascendente convectivos em temperaturas perto de -40ºC. Provavelmente nesse caso, se temos uma forte movimento de ar ascendente, poderia levar menos tempo para o núcleo de condensação de gelo agir, ou se há alguns cristais de gelo, menos tempo para o processo de Bergeron reduzir a quantidade de água super-resfriada.
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2.Cristais de gelo podem se tornar precipitação via crescimento por condensação, enquanto nuvens de chuva tipicamente não. Explique.
Tanto em gotículas de água e cristais de gelo, a taxa de crescimento por condensação é proporcional à supersaturação S. Na água de nuvens S raramente excede 0.01 (1 por cento de supersaturação). Em gelo de nuvens, especialmente na fase mista os valores de Si podem ser tão altos quando 0.4.
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3.Suponha que a condutividade térmica da atmosfera aumentasse. O que você esperaria da taxa de crescimento por condensação de cristais de gelo, aumentaria ou diminuiria. Explique.
Para cristais de gelo crescerem por deposição de vapor, a condensação de moléculas de vapor d’água próximas à superfície de um cristal de gelo crescendo deveria continuamente ser suprida pela difusão de moléculas de água em direção ao cristal de gelo da atmosfera inferior. Além disso, o calor liberado como vapor d’água condensado na superfície do gelo deve ser continuamente conduzido para longe do cristal para prevenir que o gelo se aqueça e derreta ou tenha sua temperatura aumentada para a extensão que a evaporação de moléculas de gelo da sua superfície aumente e o crescimento por condensação pare. O crescimento de gelo por condensação é limitado por ambos desses processos. Se aumentar a condutividade térmica da atmosfera, facilita para o crescimento de cristais de gelo dissipar calor e eles crescerem mais rápido.
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4.Como o tamanho de um floco de neve varia com a temperatura? Por quê?
Muitos dos flocos de neve são agregados de cristais individuais. A agregação ocorre mais facilmente à temperaturas perto de 0ºC, onde os cristais de gelo são pegajosos (como bolas de neve). O cisalhamento do vento pode rasgar flocos de neve, então grandes flocos de neve ocorrerão sob condições calmas perto de 0ºC onde a densidade deles é alta (grandes taxas de neve), então experienciarão mais colisões. Sob tais condições, pode também ser esperado que tenham grande refletividades de radar devido ao tamanho e a densidade de dispersores.
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5.Diga duas condições para a formação do graupel.
Altas velocidades de ar ascendente, grande densidade de gotículas super-resfriadas (essas duas condições tendem a ocorrer juntas)
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6.Uma partícula de granizo está suspensa numa corrente de ar ascendente e está passando por crescimento úmido (isto é, sua temperatura está em 0ºC). Especifique, e discuta brevemente, três termos no balanço de calor da partícula de granizo. Assuma a temperatura da atmosfera inferior como -20ºC.
Os três principais termos são: i) aquecimento/congelamento no interior do granizo se o gelo no centro está aumentando, ii) durante o crescimento úmido (a camada de água na superfície de gelo), deve estar em 0ºC, iii)gotículas super-resfriadas tocam o granizo. Elas são pequenas e então podem ter a mesma temperatura da corrente de ar ascendente, isto é, -20ºC, então precisariam se aquecer para o granizo ter uma temperatura estável de 0ºC (manter o crescimento úmido).
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7.Suponha que uma gota está evaporando. A temperatura diminuiria ou aumentaria com a distância da gota? Explique.
Se a gota está evaporando, então ela irá resfriar a superfície da gota de nuvem (suar resfria a nossa pele). A temperatura aumentará conforme a distância aumenta com relação à gota (o resfriamento evaporativo da gota deve ser balanceado pela difusão de calor em direção à gota).
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8.A supersaturação S = (e – es)/es tipicamente depende da altura numa parcela de ar bem como ela sobe acima da base da nuvem. Mostre essa dependência para dois casos: (a)com uma velocidade de ar ascendente de 2m/s e (b)com velocidade de ar ascendente de 0.5m/s.
Abaixo da nuvem temos UR < 1 então temos S < 0, mas ambos estão aumentando com a altura (devido à resfriamento de expansão e redução em es). Entretanto, não há ativação de gotas de nuvem nesse ponto, pois mesmo grandes núcleos de condensação de nuvens necessitam S > 0 para atingir a ativação. Entretanto, num mesmo valor positivo de S os grandes núcleos de condensação de nuvens começam a ativar, e por absorção de vapor d’água, tentarão arrastar S para zero. Um perfil vertical de S poderia então ter S < 0 inicialmente, aumentando com a altura até algum valor positivo (talvez em torno de 0.01) e então diminuir em direção a zero conforme vai para cima da base da nuvem.
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9.Quais são as duas principais maneiras nas quais o crescimento de gotas numa nuvem podem afetar a velocidade de ar ascendente da nuvem?
A liberação de calor latente de condensação aumenta a temperatura e a flutuabilidade. Durante a condensação (isto é, água líquida ou razão de mistura de massa de gelo) diminui a flutuabilidade.
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10.A nucleação homogênea de gotas de água ocorrem na atmosfera?Por quê ou por que não?
Não. A nucleação homogênea de gotas de água da fase de vapor nunca ocorre na atmosfera (na verdade, pode ter nunca ocorrido sob condição de laboratório). Deveria gerar extremamente altas umidades relativas (bem como maiores do que 400% de UR). A existência de núcleos de condensação de nuvens fornece superfícies para o vapor d’água condensar tão rápido quanto a UR excede 100% por frações de 1%. Poderíamos também dizer que a nucleação homogênea é prevenida pelo efeito de curvatura; es sobe com tamanhos pequenos então a nucleação de novas gotas pequenas de água direto da superfície da fase gasosa é difícil. Lembrando que o termo nucleação homogênea é usado em diferentes maneiras. Por exemplo, a nucleação homogênea de gelo usualemte significa resfriamento de gotas de água líquida sem um núcleo de condensação de gelo presente (ocorre em torno de -40ºC).
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11.O crescimento por condensação produz chuvas num tempo real? Por quê ou por que não?
O crescimento por condensação não pode produzir gotas de chuva em tamanho de partículas de nuvem num tempo real (isto é, num tempo comparável ao tempo de vida de uma nuvem, ou numa escala de tempo que nuvens são observadas para produzir chuva). Isso porque a taxa de aumento do raio de uma gota dr/dt vai como 1/r, ou r(t) vai como a raiz do tempo, então dr/dt vai devagar conforme a gota de nuvem vai ficando maior. O crescimento por condensação domina o crescimento de gotículas pequenas (raio menor que 10 mícrons).
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12.O resfriamento homogêneo de gotas super-resfriadas de nuvem usualmente passa por dois processos. Por quê?
A liberação de calor do resfriamento faz com que o restante da água se aqueça, possivelmente para 0ºC, então previne o resfriamento da gota inteira. Gotículas muito pequenas podem rapidamente liberar desse “excesso” calor por difusão, então os dois estágios poderão não estar muito separados no tempo.
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13.Que observações sugerem que o resfriamento homogêneo de gotas de água pura super-resfriadas é raro?
O resfriamento homogêneo de gotas super-resfriadas de água pura implica no resfriamento sem a ajuda de um resfriamento de núcleos de condensação de gelo. Isso não ocorre em ordem até temperaturas perto de -40ºC, onde a barreira de energia livre entre água super-resfriada e gelo é pequena. Mas muitas nuvens irão se resfriar em temperaturas mais quentes que -40ºC (fortes movimentos ascendentes seria exceção).
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14.O que determina a velocidade terminal de gotas e gotas de chuva?
Gotas de nuvem permanecem em balanço entre a gravidade (empurrando para baixo) e o gradiente de pressão (empurrando para cima). O gradiente de pressão que fica empurrando a gotas para cima suporta correntes de ar ascendentes enquanto a gravidade suporta movimentos de ar descendentes. A força da gravidade está relacionada à massa e velocidade terminal resultante. As gotas de nuvem permanecem em balanço com estas duas forças opostas. Ou, em outras palavras, a velocidade terminal de uma gota é proporcionalmente compensada por uma corrente ascendente de suporte. Quando aumenta o tamanho das gotas de tal forma que a velocidade terminal excede o movimento de ar ascendente de suporte, a precipitação ocorre.
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15.Descreva as características que distinguem nuvens quentes, frias e resfriadas.
Nuvens quentes são compostas primariamente de água, se formam acima de temperaturas congelantes. Estas nuvens dominam os trópicos durante o ano e médias latitudes durante os meses quentes. Nuvens resfriadas ocorrem nas médias latitudes durante os meses frios e em altas latitudes durante o ano. Elas são compostas de águam água super-resfriada e/ou gelo. Nuvens frias são similares a nuvens resfriadas exceto que elas se formam em situações de baixas temperaturas e então são compostas de água super-resfriada e gelo.
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16.Como os processos de crescimento de gotas em nuvens quentes e frias diferem um do outro?
Gotas de nuvens quentes se formam através de condensação e por colisão-coalescência. O processo de colisão-coalescência é responsável pela formação de precipitação no interior dessas nuvens. Gotas de nuvens frias e resfriadas se formam através do processos de cristalização de gelo de Bergeron pelo qual cristais de gelo crescem rapidamente às custas de água aquecida/arrefecida.
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17.Por que o crescimento por condensação não é capaz de criar gotas do tamanho de precipitação por si próprio?
A condensação é apenas uma forma viável de crescimento até a gota atingir raios em torno de 20μm devido às baixas quantidades de vapor d’água disponível. A condensação é também um processo muito lento e então é insuficiente para gerar precipitação.
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18.Como colisão e coalescência funcionam afim de aumentar o tamanho das gotículas de nuvens?
As gotas coletoras colidem com gotas menores e as colisões ocorrem. Isto tipicamente ocorre entre gotas de tamanhos similares devido ao ar comprimido abaixo da gota caindo. Quando as colisões ocorrem, as gotas também saltam para longe ou coalescem em uma grande gota com uma grande velocidade terminal.
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20.Explique o quanto as variações na pressão de vapor de saturação para cristais de gelo e gotas de água super-resfriada afetam o desenvolvimento de precipitação.
A pressão de vapor de saturação de gelo é mais baixa do que para água super-resfriada e vapor d’água. Isto é devido às moléculas individuais de água sendo presas numa forma congelada no cristal de gelo. Como o movimento molecular é limitado nessa capacidade, o cristal de gelo exerce menos pressão no ar ao redor do que o livre movimento de água líquida ou moléculas de vapor. Assim, um gradiente de pressão de saturação existe entre o cristal de gelo e a água super-resfriada. Nessa situação, moléculas de água super-resfriada são atraídas para o cristal de gelo o qual cresce rapidamente em um cristal que é capaz de precipitar.
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21.Por que o processo de Bergeron não acontece em nuvens quentes?
O processo de Bergeron não acontece em nuvens quentes porque gelo e água super-resfriada são partes integrantes do processo. Uma gradiente de pressão se desenvolve entre cristais de gelo e água super-resfriada que direciona gotas de água sobre o gelo. Isto causa o rápido crescimento do cristal de gelo, ganhando assim velocidades terminais suficientes para a precipitação se desenvolver.
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22.O que são “riming” e agregação?
“Riming” se refere ao congelamento da água líquida em cristais de gelo, onde a água super-resfriada condensa instantaneamente o hidrometeoro congelado. Agregação é a junção de múltiplos cristais de gelo através da ligação de superfície da água, ou ainda, é quando um cristal de gelo colide com outro cristal de gelo, formando um cristal maior.
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23.Por que pancadas de chuva inicialmente ocorrem como gotas grandes?
Pancadas de chuva geralmente se desenvolvem a partir de atividade convectiva associada com nuvens quentes. A formação de gotas grandes inicia o processo de colisão-coalescência porque elas têm velocidades terminais suficientes para o processo iniciar.
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24.Por que o granizo consiste de múltiplas camadas de gelo?
O granizo é formado como o graupel é carregado para cima numa corrente ascendente. A acreção de água ao graupel congela formando uma camada. O processo é repetido até a pedra de granizo estar bem pesada para ser empurrada para cima pela corrente ascendente. Pode-se contar os anéis de um granizo para determinar quantas vezes a pedra foi empurrada no ar antes de descer para a superfície.
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