Nuvens: formação e principais...
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Nuvens: formação e principais caracterís5cas
Aula de hoje
• Formaçãodenuvens• Principaiscaracterís=cas>sicas• Classificaçãodenuvens
• Porqueestudarnuvens?• Elascobremumaparte
significa=vadoglobo• AfetamaformacomoaTerra
interagecomaradiaçãosolar/terrestre
• ~1/2doalbedoplanetário• ~1%deerronacoberturade
nuvens->mesmaordemdegrandezadoefeitoestufaantropogênico
• Nuvenscontrolamoclima!
Graemeetal.(2012)
Balançodeenergia/radiação(Wm-2ouJs-1m-2)
Trenberthetal.(2007)
Balançohídrico(emt3/ano)
• Oprincipal“culpado”pelasnuvenséoSol
Acúmulodeenergia
• Sistemasnaturaisgeralmentebuscamestadodeenergiabaixo• Logo,oacúmulodeenergia(calor)éumproblema!
• Comoresolver?
Transportehorizontal
• Comoresolver?
Transportever=cal
• Comoresolver?
Aquecimentosuper>cie
• Comoresolver?
TransformaçõesEx.evaporação
• Qualopapeldasnuvens?
• Contribuirparaadiminuiçãodosníveisdeenergia
• Podemserentendidascomorespostaàsinstabilidades
• Como? • Efeitolíquido:resfriamentosuper>cie,aquecimentodoaracima• Reduçãodainstabilidade
Diferentessistemasmeteorológicoscompensamainstabilidadeemdiferentesescalas
• Caracterís=casobservacionaisdasnuvens
• Macroescalaouescalasinó=ca:tratadosmaioressistemasmeteorológicosobservados–centenas/milharesdekm(ex.furacõesesistemasfrontais)
• Microescala:1kmoumenos–incluipequenasnuvensindividuais,padrõesempartesdasnuvens(ex.rugosidade)eosprocessosmicro>sicos(ex.formaçãoecrescimentodegotas)
• No“meio”dasduasescalas(1kmacentenasdekm):Mesoescala–incluiumavariedadede=posdenuvens,tantoisoladasquantoorganizadasemsistemas• Previsãodetempododia-a-diasebaseia
empadrõesnamesoescala
Microescalatambémtratadoquehánointeriordasnuvens
Comoasnuvensseformam?
1. Aquecimentodiferencialdasuper>cie2. Levantamentopororografia3. Convergênciaoulevantamentoporfrentesfrias/quentes4. Resfriamentoradia=vo
Comoasnuvensseformam?
1. Aquecimentodiferencialdasuper>cie
• Solaqueceasuper>cie• Parcelasdear
• Ascençãoadiabá=ca• Resfriamento->saturação->nuvens
Comoasnuvensseformam?
2.Levantamentopororografia
• Montanhasforçamoarasubir• Formaçãodenuvensmesmosemcondições
termodinâmicasfavoráveis
Comoasnuvensseformam?
2.Levantamentopororografia
• Montanhasforçamoarasubir• Formaçãodenuvensmesmosemcondições
termodinâmicasfavoráveis
Comoasnuvensseformam?
3.Convergênciaoulevantamentoporfrentesfrias/quentes
• Convergênciademassasdearcomdiferentescaracterís=cas
• Airfrio->maiordensidade• Levantamentodoar
quente
• Convergênciahorizontalcentralizada• Levantamentodoarpor
con=nuidadedemassa
Comoasnuvensseformam?
3.Convergênciaoulevantamentoporfrentesfrias/quentes
• Convergênciademassasdearcomdiferentescaracterís=cas
• Airfrio->maiordensidade• Levantamentodoar
quente
• Convergênciahorizontalcentralizada• Levantamentodoarpor
con=nuidadedemassa
Comoasnuvensseformam?
4.Resfriamentoradia=vo
• Resfriamentoduranteanoite• ReduzTmesmosemnecessitardeascenção
• Formaneblina• Noitesemnuvens->manhãnublada
StratusCirrus
• ClassificaçãodeNuvens:formas
Cumulus
Nuvenscomchuva:nimbusHádiversasoutrasclassificaçõesbaseadoemcombinaçõesdessas4.Ex.:Cumulonimbus,Stratocumulus,Cirrocumulus
TIPOS DE NUVENS
cirrus
cirrostratus
cirrocumulus
cumulonimbus
altocumulus
altostratus
nimbostratus stratocumuluscumulus
stratus
❶
❷
❸
❿
❹
❺
❾❽
❼
❻
• Alémdaforma,podemosclassificarpor...?
Emtermosdeal=tude Desenvolvimentover=cal
Sistemasdemesoegrandeescalaincluemumavariedadede=posdenuvens
• Cumulonimbussãodegrandeinteresse,vistoqueproduzemtempestadeseraios• “Chuvadeverão”
Cumulushumilis
Cumulusmediocris
Cumuluscongestus
• Cumulonimbussãodegrandeinteresse,vistoqueproduzemtempestadeseraios• Sepersis=rempor~1horaoumais,podemcobriráreasdaordemde100km
Cumulonimbus
TeoriadaParcela
• Teoriaaplicávelprincipalmenteaconvecçãolocal(muitocomumemregiõestropicais)
• Descriçãomatemá=cadaascensãodeparcelasdear• Aparcelaéconsideradaisolada
• Semtrocadecalorcomoambiente• Aproximaçãorazoáveldesdequeaascensão
sejamaisrápidadoquepossíveistrocasdecalor
TeoriadaParcela
• Atermodinâmicadoaréseparadaemdois:arseco+vapordeágua• Ambossãoconsideradosgasesideais:
𝑝𝛼= 𝑅↑′ 𝑇(1)• P=pressão,α=volumeespecífico(1/ρ),T=
temperatura,R’=constanteindividualdosgases
• Arseco:R’=287Jkg-1K-1• Vapor:R’=461Jkg-1K-1
• Pelaconservaçãodeenergia(1ªLeidaTermodinâmica),temosque:
𝑑𝑞=𝑑𝑢+𝑑𝑤(2)
• q=calor,u=energiainterna,w=trabalho,tudoporunidadedemassadearseco
TeoriadaParcela
• Otrabalhoespecíficodwrepresentaaenergiadeexpansão/compressãodaparcela:
𝑑𝑤=𝑝𝑑𝛼• Aenergiainternaespecíficarepresentao
aquecimento/resfriamentodaparcela:
𝑑𝑢= 𝑐↓𝑣 𝑑𝑇• cv=calorespecíficoavolumeconstante(718Jkg-1
K-1)
• Portanto,aconservaçãodeenergiafica:
𝑑𝑞= 𝑐↓𝑣 𝑑𝑇+𝑝𝑑𝛼(3)
TeoriadaParcela
• Demodogeral,émaisadequadotrabalharcomvariaçõesdepressão(dp)doquecomvariaçõesdevolume(dα)naatmosfera
• Diferenciando(1),temosque
𝑝𝑑𝛼+𝛼𝑑𝑝= 𝑅↑′ 𝑑𝑇• Logo
𝑝𝑑𝛼= 𝑅↑′ 𝑑𝑇−𝛼𝑑𝑝(4)
• (4)em(3)
𝑑𝑞=(𝑐↓𝑣 + 𝑅↑′ )𝑑𝑇−𝛼𝑑𝑝• Mas
𝑐↓𝑝 (𝑑𝑞/𝑑𝑇 )↓𝑝 = 𝑐↓𝑣 +𝑅′
TeoriadaParcela
• Assim
𝑑𝑞= 𝑐↓𝑝 𝑑𝑇−𝛼𝑑𝑝(5)• cp = 1005 J kg-1 K-1 (calor específico a pressão
constante)• Senãohátrocadecalor(processoadiabá=co)𝑑𝑞=0
𝑐↓𝑝 𝑑𝑇=𝛼𝑑𝑝• Leidosgases
𝑐↓𝑝 𝑑𝑇= 𝑅↑′ 𝑇/𝑝 𝑑𝑝• Variandocomaal=tudez
𝑑𝑇/𝑑𝑧 = 𝑅′/𝑐↓𝑝 𝑇/𝑝 𝑑𝑝/𝑑𝑧
TeoriadaParcela
• Vamosconsiderarqueaparcelaseajustaimediatamenteàpressãoambiente
• Considerandoobalançohidrostá=co(gradientedepressão=gravidade):
𝑑𝑝/𝑑𝑧 =− 𝜌↑′ 𝑔= −𝑝𝑔/𝑅↑′ 𝑇↑′ • Ondeρ’eT’sereferemaoambiente• Assim,temosque
𝑑𝑇/𝑑𝑧 =− 𝑔/𝑐↓𝑝 𝑇/𝑇′ • VamosconsiderarqueT≈T’(parcelanãomuitomais
quente/friaqueambiente)
TeoriadaParcela
• Assim:
𝑑𝑇/𝑑𝑧 =− 𝑔/𝑐↓𝑝 =− Γ↓𝑑 (6)
• Γ↓𝑑 é conhecido como dry adiaba;c lapse rate eequivalea~10°C/km
• Essaéataxaderesfriamentoqueumaparcelasofrequandoascendeeexpande
TeoriadaParcela
• Pode-seestudaratermodinâmicadovapordemodosimilaraoarseco• p->e
• Aquan=dadedeumidadeemumaparcelaqédadaemkgdeáguaporkgdear• Semantémconstantenaparceladesdequenão
hajacondensação(formaçãodenuvem)• q≈7kgkg-1emaltasla=tudes• q≈15kgkg-1nostrópicos
• Oarnãosuportaumaquan=dadeinfinitadeumidade• Arsaturado:e=eseq=qs
• Aumidaderela=va(ourazãodesaturação)éarazãoentreaquan=dadedevaporeolimitesuportadopelaatmosfera
𝑈𝑅= 𝑒/𝑒↓𝑠 ×100• URéusualmentedadaem%
TeoriadaParcela
• AmboseseqscrescemcomT• Arquentesuportamaisumidade
𝑒↓𝑠 =6,112𝑒𝑥𝑝(17,67𝑇/𝑇+243,5 )• 𝑒↓𝑠 emhPaeTem°C
• Conformeaparcelaascende,suaTdecresceenquantoqpermanececonstante• Chegaummomentoqueoarnaparcelasatura!• Mesmosemadiçãodeumidade,apenaspela
diminuiçãodeT
TeoriadaParcela
• OnívelondeUR=100%échamadodeNíveldeCondensaçãoporLevantamento(NCL)• Boaaproximaçãodaalturadabasedasnuvens
convec=vas• Nessenível,T=Td(temperaturadopontodeorvalho)
ComparandoaParcelacomoAmbiente–diagramastermodinâmicos
z• Comumaradiossonda,podemosmedirTeTddo
ambiente(linhapreta)• CalculamosaevoluçãodeTconsiderandouma
parcelainicialmentenasuper>cie(linhavermelha)
• EvoluçãoconstanteatéNCL(ouLCLeminglês)• Lapserateadiabá=coseco
• Apar=rdoNCLháliberaçãodecalorlatente• Tdecaimaisdevagarcomz
ComparandoaParcelacomoAmbiente–diagramastermodinâmicos
z• Forçadeempuxo:
𝑑↑2 𝑧/𝑑𝑡↑2 =𝐹↓𝐵 =𝑔(𝜌↑′ −𝜌/𝜌 )=𝑔(𝑇−𝑇′/𝑇′ )• SeT>T’->FBéposi=vaeaparcelatendea
ascender• SeT<T’->FBénega=vaeaparcelatendea
descender• SeT=T’->aforçaénulaeaparcelaseguea
inércia
ComparandoaParcelacomoAmbiente–diagramastermodinâmicos
z• QuantoaslinhasdeTeT’secruzampela
primeiravez• Níveldeconvecçãolivre(LFCeminglês)
• Nasegundavez• Níveldeequilíbrio(ELeminglês)
ComparandoaParcelacomoAmbiente–diagramastermodinâmicos
z
Umamedidadaextensãover=caldanuvem
ComparandoaParcelacomoAmbiente–diagramastermodinâmicos
z• ÁreaentreascurvasdeTeT’->integralespacial
deFB,ouseja,energia.• T<T’->energiaqueinibeconvecção(CIN)• T>T’->energiaquefavorececonvecção(CAPE)
• Muitasvezesénecessárioquebrarabarreiraenergé=caCINparaalcançaroLCL• Efeitoorográfico/frentes
CONCLUINDO• Nuvens são formadas devido a instabilidades
dinâmicasetermodinâmicas• Váriasescalas/formatos
• Sãocruciaisparaobalançoclimá=codoplaneta• Podemserformadaspordiferentesprocessos
• Aquecimentodiferencial• Orografia• Convergência/frentes• Resfriamentoradia=vo
• Para convecção local, estudamos a formação denuvensdeacordocomateoriadaparcela• DependedobalançoentreTeT’
CONCLUINDO• Espero que essa figura tenha outro sen=do
agora...